基于多目标性能优化的模块化多电平高频直流变压器移相控制策略

高频直流变压器(high-frequency DC transformer,HDCT)是直流电网的关键设备。为了满足中高压直流电网母线互联、电压变换、功率双向传输和电气隔离的需求,两端皆为模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)结构的模块化多电平高频直流变压器(modular multilevel DC transformer,M2DCT)尤受关注。目前,移相控制是提高M2DCT性能的有效方法之一,而现有的移相控制方法主要优化M2DCT的单一特性。因此,为了同时降低电流应力,最小化功率损耗,改善软开关特性,实现M2DCT性能的多目标综合优化,提出了一种基于多目标性能优化的双相移(dual-phase-shift,DPS)控制策略。建立M2DCT电流应力,功率损耗和软开关特性的数学模型,提出多目标性能优化DPS的控制策略。通过M2DCT样机实验结果,验证了所提策略的有效性和优越性。     

模块化多电平开关串联型直流变压器的电流优化控制策略

针对模块化多电平开关串联型直流变压器在中压侧端口电压偏低和轻载情况下存在电流应力增大、运行效率降低的问题，提出了一种基于低压侧全桥内移相控制的电流优化控制策略。通过移相控制，在高频变压器端口产生零电平区间，抑制了传输电感电流尖峰，降低了器件电流应力及损耗。通过研究该直流变压器的工作模式，分析电流应力，以电流应力优化为目标制定优化控制策略。该策略采用分段计算移相角的方法，在维持开关管软开关特性的同时达到良好的闭环控制效果。最后，通过仿真和样机实验验证了所提优化控制策略的有效性。     

双有源桥变换器电流应力优化的双重移相调制方式

为了减小双有源桥DAB（dual active bridge）变换器在双重移相DPS（dual phase-shift）调制方式时,由于变压器原、副边电压不匹配导致电流应力增大的问题,基于DPS调制方式,在不增加新的移相控制变量的前提下,改变内外移相角间的约束关系,提出了一种电流应力优化的新型移相IDPS（improved dual phase-shift）调节方式。分析了IDPS工作特性,建立电流与功率的数学模型;提出电流应力优化控制方法,并与传统DPS调制方式对比,分析电流应力与回流功率特性。最后搭建实验平台验证,提出的IDPS调制方式与传统DPS方式相比,降低了轻载与中载时的电流应力与回流功率。     

新型双降压式模块化多电平直流变压器

为保证直流配电网稳定运行,直流变压器起到了至关重要的作用。针对半桥和全桥型模块化多电平直流变压器存在的直通和死区问题,本文提出了一种新型双降压式模块化多电平直流变压器,详细阐述了其拓扑结构和工作原理。基于类方波调制方法,分析了在不同外移相角和桥臂子模块内移相角的情况下该拓扑的变压器漏感电流变化以及功率传输特性。并提出了结合子模块电容电压变化量与当前电容电压值的排序算法,实现了桥臂内的电容电压平衡。基于PSIM平台对比了传统桥式模块化多电平直流变压器（HB-MMDCT）与本文所提出的双降压式模块化多电平直流变压器(DB-MMDCT)在类方波调制方法下的运行特性,验证了本文所提拓扑和控制方法的可行性和有效性。     

电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略

交流电网不对称故障工况下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)存在相功率不均衡的问题,常规的基于直流环流注入的调控方法会引起桥臂电流不对称,导致各相电流应力不相等;而基于零序电压注入的方法可能导致系统过调制,危害系统安全稳定运行。针对传统相功率均衡控制策略的局限性,提出一种交流电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略。首先,分析基于零序电压和直流环流注入的MMC相间功率调控原理,指出不同方法单独进行相间功率均衡的局限性。其次,研究零序电压注入方法的过调制边界,引入相功率分配系数,给出不同故障下相功率系数优化方法,提出基于零序电压和直流环流注入协调的MMC自适应相功率均衡控制策略。最后,通过仿真验证了机理分析与所提控制策略的正确性和有效性。     

基于MMC技术的高压变频系统控制策略

针对现有高压变频器存在的一些问题,提出一种基于模块化多电平变换器(MMC)技术的高压变频系统拓扑结构,由网侧变换器、直流母线、机侧变换器构成AC/DC/AC变频结构,无需多重化移相变压器,具有网侧功率因数高、电流谐波畸变率低、易实现四象限运行等优点。网侧变换器采用功率外环、电流内环的控制方式,机侧变换器采用开环的交流电压控制方式,采用三角载波移相调制作为MMC的调制策略。最后在PSCAD软件中搭建了仿真模型,并搭建了低压实验样机,验证了控制策略的有效性。     

用于HVDC系统互联的高频模块化直流变压器优化控制策略

针对应用于高压直流输电(HVDC)系统互联的高频模块化直流变压器(HFMDCT),以直流电流纹波及高频环节电流应力大小为优化目标,提出了HFMDCT的直流链匹配多电平控制策略。对HFMDCT在多电平控制方法下的直流电流纹波机理进行了分析;通过采用拉格朗日因子法得到优化高频环节电流应力的直流链占空比条件,并以此为依据提出了高频变压器变比的设计原则;同时,为了在直流电压变化时仍可以保证HFMDCT的运行效率,进一步提出了基于直流链匹配多电平控制策略的直流电流纹波优化控制方法。     

M2S2DCT的阀串支路电流优化控制策略

具有模块化多电平结构的串联开关直流变压器(direct current transformer,DCT)在使用传统单移相控制时,存在中压侧全桥换流时阀串支路产生电流尖峰的问题,器件承受额外的电流应力。基于该新型DCT的工作原理与电流波形,提出一种基于中压侧全桥换流移相的阀串支路电流优化调制方法。文中对阀串支路的电流应力进行详细分析,结合电路可靠工作移相角范围,确定中压侧全桥换流移相角最优值的计算方法,从而确立优化控制策略。该优化控制策略独立于原有的功率控制环路运行,不改变DCT功率传输状态,不影响功率的调节控制,易于投入实际应用。仿真与样机实验的结果验证了该优化控制策略降低电流应力的有效性,同时样机实验结果显示效率得到提升。综合原理分析与效果验证可知,该优化控制策略对设备的安全运行与器件选型具有借鉴意义。     

基于直流内电势控制的MMC多端直流输电系统最优下垂控制

基于模块化多电平换流器(MMC)的直流内电势直接控制方法提出了一种新型的MMC多端直流输电系统下垂控制策略。该控制策略在直流电压控制站实现直流内电势-直流电流的下垂特性,并在功率控制站实现对直流电流和电容电压的闭环控制。基于对频域响应特性的分析给出了该控制策略的优化控制参数设计方法。仿真证明了所提控制策略的可行性和有效性。     

零回流功率的LC谐振式双有源桥变频调制方法

在此针对LC谐振式双有源桥功率变换器提出一种零回流功率的变频调制方法.该调制方法与传统变频调制方法相比,可完全消除运行过程中的回流功率,有效地降低导通损耗.同时,该调制方法能够保证所有的开关均实现软开关,从而降低了开关损耗.这里在时域中分析了谐振网络在各个开关状态下的谐振电流和谐振电容电压,并进一步推导出能实现零回流功率调制方法所需的占空比和开关频率条件.最后通过1.5 kW的原型机实验验证了此处理论分析的正确性和调制方法的可行性.     

三相AC/DC型电力电子变压器高频直流环节回流功率优化控制研究

级联H桥AC/DC型电力电子变压器中的高频直流环节通常采用双有源桥电路DAB(dual-active bridge),并通过移相控制方式进行能量传递。单移相控制会在DAB中引入回流功率,增加系统损耗。在由理想直流电压源供电的DAB中,通过改进的移相控制可以显著抑制回流功率。然而在电力电子变压器PET(power electronic transformer)中,交流电网侧的PWM整流环节会引入二次脉动功率,导致其高频直流环节的输入/输出电压变比存在低频脉动,使得现有的回流功率抑制方法难以获得期望效果。针对这一问题,分析了在PET模块电容电压存在低频脉动的情况下,采用单移相和扩展移相两种控制方式下的回流功率分布特征;同时,结合功率通道型三相AC/DC电力电子变压器,提出了功率解耦和扩展移相协同控制的回流功率抑制方法;通过功率解耦控制,抑制模块电容电压中的低频脉动,维持高频直流环节输入/输出电压变比恒定,并结合扩展移相控制,抑制PET中的回流功率。仿真和实验结果验证了所提方案可以有效抑制三相AC/DC型PET中高频直流环节内的低频脉动功率及回流功率。     

Soft switching DC/DC converter with high voltage gain and less current ripple

A new soft switching three‐level converter with two DC/DC circuits in the primary side and current double rectifiers in the secondary side is presented to realize the zero‐voltage switching operation, reduce the transformer secondary winding turns and the output current ripple, and lessen the voltage rating of rectifier diodes. Two DC/DC pulse‐width modulation circuits sharing same power switches with interleaved half switching cycle are adopted in the proposed converter to reduce the current rating of transformer primary windings. Two inductors and four diodes are adopted in the secondary side to achieve current double rectifier, reduce output ripple current, and decrease the transformer secondary winding turns. Based on the pulse‐width modulation scheme, the power switchers can be turned on at zero‐voltage switching operation. Laboratory experiments with a 1.44 kW prototype are provided to verify the theoretical analysis. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于动态矩阵控制的DAB变换器电流应力与回流功率优化方法

针对双重移相控制的双有源桥(DAB)变换器存在的电流应力和回流功率问题,建立了电流应力和回流功率的权重优化函数,其设计原则为保证电流应力抑制效果并同时减小回流功率.分析了权重因子的优化选取过程,从而获取2种工作模式下DAB变换器的内、外移相比.为了改善DAB变换器输出电压的动态响应性能,提高负载适应性和鲁棒性,提出了基于动态矩阵控制的电压预测控制方法.最后,结合StarSim实时仿真机和DSP芯片搭建了DAB变换器的半实物实验平台,实验结果验证了所提控制策略在提高DAB变换器电压动态响应性能、抑制电流应力和减小回流功率方面的有效性和正确性.     

电池储能系统的双向DC/DC变换器控制策略研究

研究电网与蓄电池之间的电能变换接口装置,为改善变换器的性能,提出一种基于双重移相控制的电池储能系统的双向全桥DC/DC变换器。从理论上对双向全桥DC/DC变换器的工作特性进行了分析,以抑制电路中的回流功率为目标,根据系统的传输功率与高频变压器两侧的变比理论上推导最优移相控制量,简化移相控制量实现对双向DC/DC变换器实时控制,实现了被控量的稳定,传输效率的提高。最后,搭建的小功率实验样机表明:该控制策略可以有效降低功率传输中的回流功率。     

降低双有源桥DC-DC变换器回流功率的双移相控制策略

为减小双有源桥DC-DC变换器中的回流功率,对双有源桥DC-DC变换器进行数学分析,推导回流功率与传输功率、电压转换比的关系。针对传输功率的大小进行分段优化,得出各范围内的最优移相角,从而提出一种能减小双有源桥DC-DC变换器回流功率的改进双移相控制策略,该策略能在一定传输功率范围内满足软开关条件。在MATLAB/Simulink仿真平台上进行仿真实验,仿真结果表明,与传统的单移相相比,所提出的双移相控制策略能明显降低回流功率,并能在一定的传输功率范围内实现回流功率为零。     

基于调制波重构的级联H桥型变流器直流电压均衡控制原理分析

为了抑制级联H桥型变流器直流电压的不均衡,分析变流器交流侧和直流侧的功率传输,然后以调制波重构的思想详细分析直流电压均衡控制的原理。提出基于单位化的变流器输出电流构造调制波微调量的改进直流电压均衡方法。根据分析结果,给出在整流、无功补偿、谐波补偿等应用场合直流电压均衡控制策略的构成方法及建议。仿真和实验结果表明直流电压均衡控制策略的有效性。     

级联式电力电子变压器混合脉宽调制谐波分析及均衡控制

针对基于级联H桥及隔离双向DC/DC变换器的电力电子变压器,提出一种混合工频和高频调制的混合脉宽调制(HPWM)策略。基于波形合成原理及双重傅里叶积分方法,对5电平级联H桥HPWM输出电压频谱表达式进行了理论推导,并与载波移相调制时输出电压谐波特性进行对比。结果表明HPWM输出电压波形仅含有基波与载波边带谐波,在不增加谐波总畸变率的同时可降低系统开关频率。为解决HPWM时各模块开关模式不对称造成的中间直流电压不均衡问题,提出一种前级级联H桥采用开关函数轮换控制与后级隔离双向DC/DC变换器电压反馈加前馈控制相结合的子模块均衡控制策略,有效确保子模块功率及电容电压处于相同的动态变化范围。仿真和实验结果验证了HPWM谐波分析的正确性及所提控制策略的有效性。     

基于级联多电平的有源滤波器直流侧电压平衡控制

为了减小电网中非线性负载带来的谐波电流对电网质量的影响,针对基于H桥的有源滤波器装置中直流电容电压问题,提出一种新的控制方法。将控制模块分成模块均值电压控制器和直流母线电压控制器两个部分,通过调节每个H桥之间的有功功率交换和有源滤波器同电网间有功功率的交换来实现直流电容电压的平衡控制。利用该方法对八个单元H桥级联的并联型有源滤波装置进行Matlab/Simulink仿真,并基于FPGA+DSP实验平台搭建了三单元H桥级联样机。仿真和实验结果表明,基于级联多电平的有源滤波器直流侧电压平衡控制方法是有效和实用的。     

C-MMC型电力电子变压器直流故障分析与保护方法研究

对模块化多电平换流器 (Modular Multilevel Converter,MMC)型电力电子变压器的拓扑结构及实现原理进行介绍。分析了在采用半桥子模块的MMC中发生中压直流母线双极短路故障后的电流流通路径,以及其不能实现直流故障闭锁的原因。为解决上述问题,选取箝位双子模块代替半桥模块,并分析了其故障电流流通路径和故障闭锁原理。但由于箝位双子模块在直流故障闭锁后可能出现子模块过电压问题,为此,提出了电力电子变压器隔离级延时闭锁的策略,并分析了MMC闭锁后在该策略下隔离级闭锁前的故障电流流通路径。最后,通过PSCAD仿真平台对箝位双子模块的闭锁功能和隔离级延时闭锁策略进行了仿真验证。     

一种并联输入并联输出的宽范围双向隔离DC/DC变换器

目前,DC/DC变换器广泛应用于新能源发电、电动汽车以及锂电池化成分容等领域。针对低压大电流双向功率传输应用场合,提出了一种输入并联输出并联的宽范围双向隔离DC/DC变换器。该变换器由2个相同的两级式DC/DC变换器组成,前级采用高效率LLC谐振变换器作为直流变压器,以实现电气隔离;后级采用交错式Buck/Boost变换器,保证宽范围电压输出和高动态性能。所提变换器能够实现功率的双向传输,且采用了一种功率方向改变时,无需进行功率流向判断与开关逻辑切换的调制策略,简化了系统的控制策略并提高可靠性。设计了1台3 kW的实验装置,实验结果验证了所提变换器及其控制方法的可行性和有效性。