基于多绕组高频变的固态变压器二次纹波电压抑制策略

摘要

基于电力电子技术和高频变压器技术的固态变压器(Solid State Transformer, SST)，因其具有电能质量优化控制、故障隔离、交直流能量管理等诸多优势，得到了国内外专家学者的广泛研究。现有的SST通常采用整流、隔离、逆变三级结构，其中隔离级是SST实现高低压电网之间电能变换和隔离的关键部分，一般采用模块化组合的双有源桥(Dual-Active Bridge, DAB)变换器。　　随着电网电压等级和输出功率的提高，中间级所需要的DAB变换器模块数量也随之增加，由此也提高了中间级和整个装置的设计和控制难度。针对上述问题，本文提出了一种基于多绕组高频变的电力电子变压器(Solid State Transformer based on Multi-winding High-frequency Transformer, MHT-SST)。相比于传统的SST,MHT-SST的中间级采用基于多绕组高频变压器的多有源桥(Multi-active Bridge, MAB)变换器，在结构上集成度更高，在控制上更加灵活，能较大程度地减小装置体积，避免传统SST中间级各模块独立控制带来的误差和不同步等问题。本文重点对MHT-SST的优化控制和二次纹波电压抑制开展了研究，主要工作如下：　　(1)提出了基于低压侧功率前馈的MHT-SST均功率控制方法。首先对MHT-SST的功率特性进行了分析，建立了MHT-SST的平均数学模型。针对现有SST控制策略未考虑实际参数、控制器数量多等问题，本文提出了基于输出级功率前馈的MHT-SST均功率控制方法，实现了对MHT-SST整体控制的简化，同时保持高低压侧各端口电压的稳定，最后通过仿真验证了所提出控制方法的有效性。　　(2)提出了MHT-SST二次纹波功率解耦策略。首先对二次纹波功率产生的机理进行了分析，然后结合MHT-SST中间级结构，对二次纹波功率的耦合特性进行了研究，并建立了MHT-SST二次纹波功率的耦合模型，提出了基于对角矩阵的MHT-SST二次纹波功率解耦控制策略，能降低暂态过程中端口的冲击电压，提升装置的响应速度，最后通过仿真验证了所提解耦策略的有效性。　　(3)提出了单相、三相MHT-SST二次纹波电压抑制方法。根据MHT-SST的二次纹波功率产生机理，结合二次纹波功率解耦策略，分别针对单相、三相MHT-SST，提出了相应的二次纹波电压抑制方法。最后分别搭建单相、三相MHT-SST的仿真和实验模型，验证了所提策略的有效性。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 背景与意义

1.2 国内外研究背景及现状

1.2.1 传统 SST 典型拓扑

1.2.2 MHT-SST 典型拓扑

1.2.3 MHT-SST 关键问题

1.3 主要研究内容

第 2 章 MHT-SST 的模型构建及其均功率控制

2.1 MHT-SST 的拓扑分析与模型构建

2.1.1 MHT-SST 的拓扑结构

2.1.2 MHT-SST 模型构建

2.2 MHT-SST 的均功率控制方法

2.3 仿真验证

2.4 本章小结

第 3 章 MHT-SST 的二次纹波功率解耦策略

3.1 MHT-SST 的二次纹波功率产生机理分析

3.1.1 输入级二次纹波功率产生机理分析

3.1.2 输出级二次纹波功率产生机理分析

3.2.1 MHT-SST 中间级等效电路分析

3.2.2 MHT-SST 二次纹波功率耦合模型

3.3基于对角矩阵的MHT-SST二次纹波功率解耦策略

3.3.1 基本原理

3.3.2 与传统功率解耦策略对比分析

3.4仿真验证

3.5本章小结

第 4 章 MHT-SST 的二次纹波电压抑制方法

4.1 单相 MHT-SST 的二次纹波电压抑制方法

4.1.1 单相 MHT-SST 的二次纹波电压抑制机理

4.1.2 单相 MHT-SST 的二次纹波电压抑制策略

4.2 三相 MHT-SST 二次纹波电压抑制方法

4.2.1 三相 MHT-SST 的二次纹波电压抑制机理

4.2.2 三相 MHT-SST 的二次纹波电压抑制策略

4.3仿真与实验验证

4.3.1单相MHT-SST仿真与实验

4.3.2三相MHT-SST仿真与实验

4.5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间获得的研究成果

致 谢