模块组合型电力电子变压器及其电压平衡控制策略研究

摘要

电力电子变压器被认为是未来智能电网的关键设备之一，其具有体积小、重量轻、低污染(无需绝缘油)、故障隔离以及其他的一些潜在功能，如无功补偿、有源滤波、电压调节等。其结合了电力电子变换与高频耦合技术，以及先进的数字控制技术，不仅能够实现电压等级的隔离变换，并且输出电压高度可控。此外，电力电子变压器能够为分布式能源提供交直流两种接口，使得能量的接入、管理与分配更容易实现。
　　模块组合型电力电子变压器是目前电力电子变压器领域最受欢迎的解决方案之一，其由多个模块串并联构成，能够有效的解决现今商用IGBT电压等级无法满足中高压配电网电压等级的问题。其整流级采用级联H桥整流器，即使模块工作于较低的开关频率下，却可实现较高的系统等效开关频率，该特性能减小系统损耗与滤波器的体积、重量；而且交流端的多电平的特性可进一步降低输入电流谐波含量。隔离级采用双有源桥式变换器，结合软开关技术可以实现高效高功率密度的电压等级变换。虽然模块组合型电力电子变压器具有以上诸多优点，但大量的模块串并联使得整流级的电压与隔离级功率的平衡变得较为困难。本文主要针对上述问题进行了研究。
　　首先，基于单相d-q坐标下建立整流级级联H桥整流器的数学模型，设计了基本的双环控制器；对隔离级双有源桥式变换器的调制方式进行了分析；并利用仿真的方式对整流级和隔离级的基本特性进行了分析。
　　然后，主要针对整流级电压不平衡的问题提出了两种新型的控制方法。第一种电压平衡控制策略是利用电压反馈修改整流级各模块的有功与无功占空比，在实现直流端电压平衡的同时能够控制模块的无功平衡，并且消除基本双环控制器与电压平衡控制器间的耦合性。第二种为一种新型的多维空间矢量调制策略，通过比较直流端电压的大小，并结合输入电流的方向与调制波所在区间，为每个模块分配最优的开关状态，该调制策略能够实现快速、宽范围的电压平衡。仿真以及实验结果证明了所提出的两种新型控制方法的有效性。
　　最后，研制了模块组合型电力电子变压器整流级的小功率实验样机，介绍了硬件电路的设计与软件控制流程，对其基本特性进行了一系列的实验测试。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2电力电子变压器的发展

1.3模块组合型电力电子变压器

1.4本文的研究内容

第2章 模块组合型电力电子变压器拓扑分析与建模

2.1整流级--级联H桥整流器

2.2隔离级--双有源桥式变换器

2.3仿真分析

第3章 级联H桥整流器的新型电压与无功平衡控制策略

3.1引言

3.2新型电压与无功平衡控制策略

3.3电压平衡控制器的有效范围分析

3.4仿真验证

3.5 本章小结

第4章 级联H桥整流器新型多维空间矢量调制策略

4.1引言

4.2 CHB整流器拓扑及控制

4.3新型多维空间矢量调制策略的实现

4.4仿真与实验

4.5 本章小结

第5章 实验样机设计

5.1元器件选择与设计

5.2控制系统外围电路设计

5.3软件控制流程

5.4实验测试

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

附录：级联H桥整流器实验样机

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

论文发表

发明专利申请

参与的科研项目：