固态变压器拓扑与控制策略研究.pdf

文章编号:()固态变压器拓扑与控制策略研究刘康(国网湖北省电力有限公司十堰供电公司湖北 十堰)摘 要:本文提出了一个三级型固态变压器分别为输入级模块、隔离级模块以及输出级模块 其中输入级模块、输出级模块均采用全桥拓扑隔离级模块采用带高频变压器的有源 桥 该拓扑结构具备对称性特点对于输入级模块与输出级模块可采用相同的分析手段与控制策略节省控制成本 本文在分析了该拓扑的结构特点、工作特性的基础上提出了该拓扑的数学模型 并基于该数学模型推导了固态变压器的控制策略 为验证该拓扑与控制策略在/中搭建了仿真模型 仿真结果表明该控制策略可实现固态变压器对电能质量的控制关键词:固态变压器控制策略电能质量控制中图分类号:文献标识码:():./.:引言能源危机、环境问题、气候气温的日益严重具有高效、环保的分布式新能源发电是解决能源危机、环境危机的一个重要突破口 能量互联网参考了互联网技术可实现能量的路径的控制、质量的控制 能量路由器是能量互联网中的核心器件而能量路由器中最为关键的组成部件为固态变压器 传统的变压器不仅具备升压、降压功能还具备隔离功能 但是传统的变压器与当前的智能化、兼容性高的能量互联网存在很大的对供电质量的控制的差距 固态变压器利用电力电子器件集成了传统变压器隔离、升压、降压的功能 还具备电力电子设备 具 备 的 可 控 制 电 能 质 量、扩 展 性 强 的 特点 当前固态变压器还具备无功补偿、并网控制、谐波治理等功能 固态变压器的结构分为单级型、双级型以及三级型 本文设计了一个三级型固态变压器具有电气开关(.)输入级模块、隔离级模块以及输出级模块 其中输入级模块采用/模块输出模块采用/模块隔离级模块同样为三级结构分为为/模块、高频变压器以及/模块 为实现能量的双向流动即可以向负载供能也可以向电网馈能固态变压器的结构为完全对称的结构 为了保障能量路由器的输出能量本文分析了能量路由器的各个组成部分的数学模型并推导了控制策略 为验证本文所提出的固态变压器的拓扑与控制策略在/中搭建了仿真模型 固态变压器拓扑 固态变压器能够提供稳定的且可控、可调的电压与电流能量传输效率较高 图 所示为固态变压器拓扑图 固态变压器拓扑 图 中固态变压器采用三相四线制 表示为中性线、表示为三相输入电压、表示为三相输入电流 由图 可知经过输入级模块与隔离级模块后三相交流电可变换成直流电 该直流电经过后级/变换器可得到所需的交流电能 图 中的输入级模块与隔离级模块拓扑如图 所示 图 中所示的输入级模块与隔离级模块拓扑仅为三相中的 相线路的模块 其中三个 桥串联构成了输入级模块即 相输入电压 被三个 桥均压因此该固态变压器可承受较大的输入电压与功率 隔离模块则采用 个高频互感器与 个 桥变换器构成 固态变压器控制策略.输入级模块控制策略 图 所示的固态变压器的输入级模块为单相线路由 个完全相同的 桥整流模块串联而成 在两相静止坐标系下输入级模块的数学模型可表示为:()式中、分别表示为输入级模块输入电流在 坐标系下的分量、分别表示为输入级模块输入电流在 坐标系下的分量、分别表示为三相输入级模块的占空比在 坐标系下的分量图 输入级模块与隔离级模块拓扑 根据式()在设计输入级模块的控制策略时需将 轴中的耦合分量去除掉 因此图 所示为输入级模块的控制策略框图.隔离级模块控制策略 图 所示的隔离级模块的输入电流 与该隔离级模块的输出电流 可分别表示为:()()()()式中 为变压器原、副边匝数比 隔离级模块的两侧电容在复频域可表述为:()()()()因此隔离级模块的输入侧传递函数与输出侧传递函数可表示为:电气开关(.)图 输入级模块控制框图 ()()()()()()根据隔离级模块的输入输出传递函数可确定其控制策略如图 所示图 隔离级模块控制框图 图中表示为输入电压表示为输出电压表示 的正反馈系数表示 的负反馈系数 可通过调剂、与 控制器的参数实现调节输出电压 仿真结果 为验证该固态变压器拓扑与控制策略可利用/搭建仿真模型其参数设置如表 所示 由于额定输入电压为 则对于单个输入模块的输出电压为 如图 所示 图 所示为当隔离级模块输入电压为 时 可控制隔离级模块输出电压等级分别设置为、以及 表 参数设置参数数值输入模块电感输入模块输出电容.隔离级模块输入电感.隔离级模块输入电容额定电压频率图 输入级模块输出电压 由图可知该隔离级模块的输出电压可快速、精准跟踪输出电压参考值 即该隔离级模块控制策略具有较好的动态性能与稳态性能 图 所示为与输入级模块采用同样控制策略仅电流流向不同时输出及模块的输出电压波形图 隔离级模块输出电压电气开关(.)图 输出级模块输出电压 结论 本文提出了一个固态变压器的拓扑结构包含 个组成部分分别为输入级模块、隔离级模块以及输出级模块 其中输入级模块与输出级模块采用结构完全相同、能量可双向流动的 桥模块该 桥模块作为输入级模块使用时可作为整流模块用当该 桥模块作为输出级模块使用时可作为逆变模块用 而隔离级模块则采用能量能够双向流动的双源端 桥可实现能量的/变化且该双源端 桥具有高频变压器 本文还提出了该固态变压器的控制策略能够实现对电压的升压、降压功能且能够控制能量的双向流动参考文献 董彦彦.固态变压器及其控制策略的研究.山东:山东大学.吴剑石健将张至愚.三相模块级联型固态变压器均压/均功率控制策略研究.电源学报():.张甦苗虹曾成碧.提高智能固态变压器输入级效率的混合调制方法.南方电网技术():.于程皓王玉斌李厚芝.基于高压碳化硅器件的三相固态变压器拓扑及其在电网电压不平衡下的控制.电工技术学报():.朱介北李峰俞露杰等.基于固态变压器的互联交直流微电网功率互济自主控制.电网技术():.张国澎李子汉王浩等.不平衡电网下隔离型固态变压器非线性一体化控制.电网技术():.李程廖勇.用于 风电场接入电网的固态变压器控制策略.电源学报():.李捷卢子广杨达亮.基于/的级联型固态变压器控制研究.电测与仪表():.赵涛张兴王明达等.级联固态变压器在 模式下的控制策略.电力电子技术():.付超孙贺张建成等.直流固态变压器新型均衡解耦控制策略.电网技术():.周剑桥王晗张建文等.基于波动功率传递的 型固态变压器子模块电容优化方法.中国电机工程学报():.孟祥齐贾燕冰任春光等.直流固态变压器环流抑制策略.电网技术():.满敬彬.用于固态变压器的双有源/变换器拓扑及控制策略研究.山东:山东大学.张建文周剑桥施刚等.基于环流注入控制的 型固态变压器低压直流真双极运行方案.中国电机工程学报():.刘巍.级联型固态变压器故障检测与容错技术研究.江苏:东南大学.张明锐宋柏慧王佳莹等.基于模型预测控制的固态变压器控制策略研究.电力系统保护与控制():.收稿日期:作者简介:刘康()男湖北十堰人工程师主要研究方向:电力系统与自动化(上接第 页)参考文献 罗红斌邓林旺薛程升等.特性分析仿真及其在移动储能电站的应用.储能科学与技术():.杨帆任乔林冯宁等.输电线路实时监测与动态增容的研究与实现.电气应用():.徐青松季洪献王孟龙.输电线路弧垂的实时监测.高电压技术():.陈倩吕刚张瑞亮唐华东等.覆冰状态下高压输电线路运行可靠性自动检测方法.自动化与仪器仪表():.刘志超.基于分时系统的 无线传感器星型网络冲突避免研究.内蒙古大学.孟章荣.以太局域网性能分析建模.系统仿真学报():.肖建波石然代作伟等.基于星型拓扑结构的全台数字通话系统.电声技术():.龚晓滨于瑞龙.一种新型高压带电显示装置在配电设备中的应用.数字技术与应用():.陈艳霞金立华李艳滨.架空线路故障指示器在北京配电网的应用分析.电气应用():.董春晨杨成飞师同彦.配电线路故障指示器在配电自动化建设中的应用分析.电工技术():.收稿日期:作者简介:桑川川(.)男河南开封人汉族硕士研究生工程师主要从事继电保护自动化运维智能电网运维技术等研究工作檀亚凤(.)女吉林四平人满族工程硕士工程师主要从事电能计量电能测试等研究工作电气开关(.)