本文關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)中高頻交流固態(tài)變壓器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,未來(lái)將會(huì)有大量分布式能源和儲(chǔ)能單元通過(guò)電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)。依托工頻輸電變壓器和開(kāi)關(guān)部件所構(gòu)成的傳統(tǒng)配電網(wǎng)方式將被改變,而作為新型連接設(shè)備——高頻固態(tài)變壓器(High Frequency Solid State Transformer,HF-SST)因具有配電母線之間高、低壓靈活轉(zhuǎn)換及功率流動(dòng)智能管理等特點(diǎn),將在未來(lái)智能電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮重要角色。本文以HF-SST系統(tǒng)為研究對(duì)象,以提高功率密度、優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率和增強(qiáng)運(yùn)行可靠性為研究目標(biāo)。通過(guò)對(duì)HF-SST系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式以及控制策略的分析,建立核心技術(shù)體系,并總結(jié)出存在的若干關(guān)鍵問(wèn)題。(1)HF-SST系統(tǒng)級(jí)層面的運(yùn)行模式和控制管理方案;(2)HF-SST系統(tǒng)核心電路的控制策略及優(yōu)化設(shè)計(jì);(3)級(jí)聯(lián)H橋多電平變換器(Cascaded H-birdge Multilevel Inverter,CHMI)功率和電壓不平衡補(bǔ)償;(4)HF-SST系統(tǒng)中關(guān)鍵部件高壓故障隔離裝置(High voltage Fault Isolation Device,HV-FID)的可靠運(yùn)行。由于HF-SST系統(tǒng)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和工作模式繁多,控制結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,為提高其能量管理的有序性和正確性,提出分層、分布式控制策略�？刂企w系分為4層,并將每個(gè)控制模型拆分為多個(gè)模塊化子控制器單元,通過(guò)控制目標(biāo)制定層的邏輯組合,實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)下的控制目標(biāo)。同時(shí)對(duì)內(nèi)部核心單元LVDC/HVDC、HVDC/HVAC、LVDC/LVAC和LVAC/LVDC的控制方式進(jìn)行分析,建立小信號(hào)模型,為各轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的控制器設(shè)計(jì)提供優(yōu)化指導(dǎo)。為實(shí)現(xiàn)HF-SST系統(tǒng)高功率密度、高可控性及四象限功率控制能力,本文對(duì)其核心電路的特性進(jìn)行優(yōu)化,分析雙向功率流動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提出統(tǒng)一離散化控制方法,并將主控制算法和邏輯進(jìn)程分配到不同控制器中執(zhí)行,以降低周期性復(fù)雜運(yùn)算。同時(shí)針對(duì)增加開(kāi)關(guān)頻率、提高功率密度方面的分析,提出了動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)的控制方法,通過(guò)改變控制器參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)帶寬增益,以保證在高開(kāi)關(guān)頻率下輸入電流的正弦性。由于模塊參數(shù)和高頻變壓器規(guī)格的差異,使得CHMI環(huán)節(jié)各H橋單元的輸入功率不相等,進(jìn)而導(dǎo)致其輸出端電流和輸入端電壓的不平衡。針對(duì)輸出端電流不平衡問(wèn)題,提出一種新型零序電壓注入的控制方法,該方法依據(jù)三相功率不平衡度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓控制信號(hào)的補(bǔ)償,無(wú)需三相解耦,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、解析量少等特點(diǎn)。針對(duì)輸入端電壓不平衡問(wèn)題,提出實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)制因數(shù)M的控制策略,通過(guò)改變前端電容充、放電時(shí)間,維持輸入端電壓的均衡。另外,通過(guò)建立控制器的數(shù)學(xué)模型,指出了最大不平衡界定范圍。連接HF-SST系統(tǒng)與中壓交流配電網(wǎng)的HV-FID,常采用串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件的方式提高其電壓阻斷等級(jí)。但由于器件參數(shù)或驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在差異,使得在導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí),可能會(huì)引起串聯(lián)器件的不均壓,進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行安全性。針對(duì)此問(wèn)題,建立了MOSFET等效電路模型,分析了寄生電感和電容對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響機(jī)理。對(duì)比了2種抑制電壓尖峰方案,并據(jù)此提出了一種帶有電壓峰值保持特性的有源箝位均壓反饋電路,對(duì)其參數(shù)確定依據(jù)和均壓技術(shù)進(jìn)行研究,以便于實(shí)現(xiàn)HV-FID的一般性優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)上述涉及的HF-SST系統(tǒng)各項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題,進(jìn)行了理論仿真,并建立了相應(yīng)的物理平臺(tái),包括:三相CHMI、雙向DC/DC和三相AC/DC功率變換單元以及HV-FID單元,以此驗(yàn)證本文針對(duì)HF-SST系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題所提出解決方案的正確性和有效性。研究結(jié)果期望為我國(guó)HF-SST系統(tǒng)在未來(lái)智能電網(wǎng)中的應(yīng)用建設(shè)提供一定理論參考。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1289954