混合式隔离型模块化多电平变换器

基于模块化多电平变换器(MMC)的电力电子变压器(PET)因其多端口接入、模块化结构、易实现电压拓展、输出波形质量高等优点受到广泛关注.但由于该PET中压交流侧电压由中压直流母线产生,使其中压交流端口电压始终限制在中压直流端口电压以下.该文结合模块化拓扑结构与单级式功率变换思想,提出一种混合式隔离型模块化多电平变换器(HI-MMC).首先,分析HI-MMC结构以及组成HI-MMC两种隔离型子模块的拓扑结构及调制策略,通过不同子模块的组合配置可使HI-MMC突破交/直流电压比的限制,实现各端口电压等级的灵活设计;同时,所提出的HI-MMC还具有单级式功率变换、控制系统简单、节约电容等优点;其次,研究不同电压比下各类子模块相应的配置方案,并建立单相HI-MMC系统平均等效模型;最后,通过搭建的一套10kW实验室HI-MMC样机验证了所提拓扑结构的有效性.     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

三端口隔离双向DC-DC变换器模型预测控制技术

为提高直流微电网中三端口隔离双向DC-DC变换器的动态性能,针对三有源桥(TAB)DC-DC变换器,该文提出一种模型预测控制(MPC)策略。考虑TAB变换器各端口的控制目标,基于移相控制和平均值模型建立TAB变换器离散化预测模型,通过MPC问题最优求解设计预测控制器,以实现端口间的解耦控制效果。进一步分析系统参数偏差对MPC策略控制效果的影响,设计抑制稳态误差的TAB变换器MPC控制方案。基于TMS320F28335+FPGA_XC6SLX16的双处理器控制内核搭建TAB样机,实验结果验证了该文所提方法的有效性,且具有更快的动态特性及端口功率解耦运行能力。     

中压直挂光伏发电系统模块间电压–功率自主跟踪控制方法研究

中压直挂光伏发电系统不需要工频升压变压器和无功补偿装置,无夜间损耗,近年来受到广泛关注。大量光伏组串经隔离型直流变换器输出串联汇集,再通过模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)换流器并网送出功率,形成两级式中压直挂光伏发电拓扑。该拓扑运行效率高,但各光伏组串最大功率点追踪(maximum power point tracking,MPPT)控制较为困难。把隔离型直流变换器输入侧并联,并在光伏组串与隔离型直流变换器间插入MPPT变换器,有利于MPPT控制,但增加系统损耗。面向两级功率变换式中压直挂光伏发电系统,提出隔离变换器的模块间电压-功率自主跟踪控制方法,使变换器在实现各光伏组串最大功率点追踪控制的同时,不经过通信和闭环控制就可以实现各功率模块输出电压自动分配,从而可以减少功率变换层级,提高运行效率和鲁棒性。仿真分析和小功率实验结果验证所提模块间功率控制策略的有效性。     

部分能量输入的三端口六边形MMC功率分析及环流控制

大容量多端口变换器可代替原有多个分立变换器,具有高功率密度、高变换效率、体积重量小和成本低等优势,可应用于电力系统互连、可再生能源汇集、多电机驱动等场景。在两端口六边形模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)结构基础上,通过在3个桥臂的H桥单元中引入有源前端,将这种六边形MMC扩展成一个无高压直流环节的三端口AC/AC/AC结构。根据桥臂功率分析,各个桥臂的功率分布存在差异,通过环流和中性点偏移电压实现功率平衡。通过对变换器进行建模,发现环流和中性点偏移电压存在关系,并基于此提出一种通过中性点偏移电压控制环流进而实现桥臂功率平衡的控制方法。在RT-LAB实时仿真平台上验证了所提结构能够实现桥臂功率平衡和双异步电机驱动。     

一种多端口直流变换器的系统生成方法——采用单极性脉冲电源单元

多端口直流变换器(multi-port DC/DC converters,MPC)可应用于新能源供电系统与电动汽车供电系统,它将系统中原有的多个单向和双向直流变换器在电路结构上实现合并,具有结构简单、成本低、控制灵活等优点。对现有的MPC进行分类,指出每种类型变换器的特点。从基本的双向直流变换器中提取出双向单极性脉冲电源单元,提出采用脉冲电源单元和缓冲单元组合的方法构建MPC,给出脉冲电源单元组合规则及其与缓冲单元的级联规则,总结归纳出5种不同类型多端口变换器的生成规则,进而推导出一系列MPC拓扑。     

基于MMC的紧凑型能量路由器方案

该文提出一种控制简单的基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)结构的多端口能量路由器(energyrouter,ER)方案,所提ER包含有中压直流、中压交流、低压直流和低压交流4个外接功率端口以及1个内部储能端口,通过隔离级高频链将各子模块(sub-module,SM)进行内部互联,建立模块间的耦合关系。利用开关电容变换及三相波动功率抵消分别实现SM电压的自主均衡和电容需求最小化,从而大幅简化控制方案设计,同时提升系统的功率密度。考虑ER所具备的惯性能力与电容值密切相关,设计一种基于蓄电池储能的惯性优化方案。最后,通过仿真及实验验证所提拓扑及能量调控策略的正确性和有效性。     

非隔离双向四端口直流变换器及其控制策略研究

针对多端直流输电系统中的潮流汇集、分配以及电压变换需求,提出了一种基于双向buck+boost变换器的非隔离双向四端口直流变换器。所提出的直流变换器只需经过DC-DC单级升降压变换,提高了变换器的效率和功率密度;相对于传统多端口变换器通过公共交流母线或公共直流母线连接的方案,该变换器无需采用母线电容和交流变压器,降低了变换器体积和成本,提高了系统可靠性;该变换器中任意一个输入到输出端口之间均构成一个双向buck+boost变换器单元,各个单元在功率回路不存在相互耦合,控制更易实现。在PSCAD/EMTDC平台中搭建了四端双极柔性直流输电系统仿真模型,对直流变换器潮流分配和电压变换功能进行了仿真分析,并研制了双极四端口直流变换器原理样机,进行了相应的动模实验验证。仿真和动模实验结果表明,该直流变换器能够有效实现直流潮流分配和电压变换功能。     

基于模式切换的固态变压器多直流电压平衡控制方法

能源互联网通过固态变压器整合分布式可再生能源,但是容易出现不同H桥模块间电压失衡、直流变换效率低以及能耗高的问题。因此,研究基于模式切换的固态变压器多直流电压平衡控制方法,分析固态变压器中的负责能量传递的双移相桥隔离型双向直流变换器损耗分布情况,为直流变换器效率优化提供分析依据,通过移相控制模式和梯形电流控制模式间的合理切换控制,提高直流变换器效率,实现固态变压器中双向直流变换器全功率范围内的损耗最佳控制,在此基础上,通过单相任意单元数级联H桥固态变压器的SVPWM算法,解决变压器的模块级联H桥型固态变压器出现不同H桥模块间的均压问题,实现变压器多直流电压的平衡控制。结果表明,该方法对固态变压器多直流电压平衡后,使得变压器电网电流谐波小,固态变压器AC／DC的3H桥电容电压达到了平衡状态,固态变压器直流母线端口电压以及低压直流端口电压稳定,达到平衡状态。     

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modular multilevel DC/DC converter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。