本文關鍵詞：能源互聯(lián)網中高頻交流固態(tài)變壓器系統(tǒng)關鍵技術研究

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【摘要】：隨著智能電網的發(fā)展,未來將會有大量分布式能源和儲能單元通過電力電子設備接入電網。依托工頻輸電變壓器和開關部件所構成的傳統(tǒng)配電網方式將被改變,而作為新型連接設備——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、低壓靈活轉換及功率流動智能管理等特點,將在未來智能電網建設中發(fā)揮重要角色。本文以HF-SST系統(tǒng)為研究對象,以提高功率密度、優(yōu)化轉換效率和增強運行可靠性為研究目標。通過對HF-SST系統(tǒng)拓撲結構、運行方式以及控制策略的分析,建立核心技術體系,并總結出存在的若干關鍵問題。(1)HF-SST系統(tǒng)級層面的運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)化設計;(3)級聯(lián)H橋多電平變換器(Cascaded H-birdge Multilevel Inverter,CHMI)功率和電壓不平衡補償;(4)HF-SST系統(tǒng)中關鍵部件高壓故障隔離裝置(High voltage Fault Isolation Device,HV-FID)的可靠運行。由于HF-SST系統(tǒng)轉換環(huán)節(jié)和工作模式繁多,控制結構相對復雜,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。控制體系分為4層,并將每個控制模型拆分為多個模塊化子控制器單元,通過控制目標制定層的邏輯組合,實現不同工作狀態(tài)下的控制目標。同時對內部核心單元LVDC/HVDC、HVDC/HVAC、LVDC/LVAC和LVAC/LVDC的控制方式進行分析,建立小信號模型,為各轉換環(huán)節(jié)的控制器設計提供優(yōu)化指導。為實現HF-SST系統(tǒng)高功率密度、高可控性及四象限功率控制能力,本文對其核心電路的特性進行優(yōu)化,分析雙向功率流動的拓撲結構,提出統(tǒng)一離散化控制方法,并將主控制算法和邏輯進程分配到不同控制器中執(zhí)行,以降低周期性復雜運算。同時針對增加開關頻率、提高功率密度方面的分析,提出了動態(tài)前饋補償調節(jié)的控制方法,通過改變控制器參數來調節(jié)帶寬增益,以保證在高開關頻率下輸入電流的正弦性。由于模塊參數和高頻變壓器規(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,進而導致其輸出端電流和輸入端電壓的不平衡。針對輸出端電流不平衡問題,提出一種新型零序電壓注入的控制方法,該方法依據三相功率不平衡度來實現對電壓控制信號的補償,無需三相解耦,具有結構簡單、解析量少等特點。針對輸入端電壓不平衡問題,提出實時調節(jié)調制因數M的控制策略,通過改變前端電容充、放電時間,維持輸入端電壓的均衡。另外,通過建立控制器的數學模型,指出了最大不平衡界定范圍。連接HF-SST系統(tǒng)與中壓交流配電網的HV-FID,常采用串聯(lián)開關器件的方式提高其電壓阻斷等級。但由于器件參數或驅動信號之間存在差異,使得在導通或關斷時,可能會引起串聯(lián)器件的不均壓,進而影響系統(tǒng)運行安全性。針對此問題,建立了MOSFET等效電路模型,分析了寄生電感和電容對開關特性的影響機理。對比了2種抑制電壓尖峰方案,并據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,對其參數確定依據和均壓技術進行研究,以便于實現HV-FID的一般性優(yōu)化設計。針對上述涉及的HF-SST系統(tǒng)各項關鍵問題,進行了理論仿真,并建立了相應的物理平臺,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,以此驗證本文針對HF-SST系統(tǒng)關鍵問題所提出解決方案的正確性和有效性。研究結果期望為我國HF-SST系統(tǒng)在未來智能電網中的應用建設提供一定理論參考。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM41

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

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