模块化多电平电力电子变压器的控制策略

论文总字数：28448字

摘 要

近年来，电力电子技术得到了迅速发展与广泛应用，电力电子变压器（Power Electronic Transformer，以下简称PET）随之应运而生。PET除了可实现传统变压器的基本功能外，还具备功率密度高、可控性好、兼容性强等特点。目前，电力电子变压器的主要研究热点是基于级联H桥的拓扑结构，而基于模块化多电平（Modular Multilevel Converter，以下简称MMC）拓扑的PET装置逐渐引起人们的关注。将MMC技术应用于PET，可使PET具有高度模块化、提升控制性能、提高电能质量、降低设备体积和重量等优势，但目前MMC型PET的理论和实践仍不完善。

结合基于模块化多电平电力电子变压器的特点与应用前景，论文主要研究内容包括以下几个方面：

（1）总结对比了模块化多电平电力电子变压器的两种可行的拓扑结构，根据不同的拓扑结构分析了其工作原理。

（2）基于Matlab/Simulink平台，建立基于模块化多电平电力电子变压器的仿真模型。

（3）研究了电力电子变压器的各级控制策略；对模块化多电平电力电子变压器闭环回路电流进行了分析；通过理论分析对比了适用于MMC的多种调制策略，得出载波移相调制的输出特性良好，谐波含量较低，可有效改善电能传输质量，适用于MMC调制的结论；确定了包括子模块电压平均控制、子模块电压平衡控制在内的电压控制算法；研究了PET中间级双主动桥(Dual Active Bridge，DAB)拓扑及其控制策略。

（4）基于搭建的模块化多电平电力电子变压器的仿真平台，对本文的载波移相PWM调制策略、子模块电压平均控制算法、子模块电压平衡控制算法以及DAB的PWM调制进行仿真，验证了各控制策略的有效性。

关键词：电力电子变压器，模块化多电平变流器，Matlab仿真，电压平衡，载波移相PWM调制，DAB

CONTROL STRATEGIES OF MODULAR MULTILEVEL BASED

POWER ELECTRONICAL TRANSFORMER

Abstract

In the last several years, with the rapid development and broad application of Power Electronics Technique, Power Electronics Transformer is developed. Power electronics transformer can not only realize the basic functions of traditional transformer, but also features with high power density, controllability, and compatibility. Though the research interests of PET focus on cascade H-bridge topology now, modular multilevel converter power electronics transformer (MMC-PET) raises researchers' concern. Equipped with MMC technology, MMC-PET, which can be highly modularized, will be improved in control performance, power quality, but the volume and weight of the devices are reduced. However, the theory and applications of MMC-PET are not so perfect.

Considering the features and prospects of the MMC-PET, the achievements in this article are listed as follows:

Firstly, this article summarized the 2 applicable topology of MMC-PET and made the comparison.

Secondly, with principles of PET analyzed respectively, the simulation module of MMC-PET in MATLAB/Simulink was established.

Thirdly, after control strategies of each cascade of PET being researched, circulating current of MMC is analyzed, the modulation strategy and voltage control strategy are discussed, carrier phase-shifted PWM (CPS-PWM) and voltage balancing control methods are studied. Besides, topology and control strategy of DAB in the isolation stage of PET was studied.

Lastly, based on simulation platform, carrier phase-shifted SPWM, the voltage balancing control algorithm, and the PWM of DAB are simulated and verified.

Keywords: power electronic transformer, modular multilevel converters, simulation, voltage balance control, carrier phase-shifted SPWM, DAB

目录

摘 要 1

Abstract 2

目录 3

第一章 绪论 1

1.1 电力电子变压器的研究背景 1

1.2 电力电子变压器的研究现状和发展分析 1

1.3 电力电子变压器的控制策略 4

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 6

第二章 模块化多电平电力电子变压器 8

2.1 模块化多电平电力电子变压器的拓扑结构 8

2.1.1 MMC的拓扑结构 8

2.1.2 基于MMC的电力电子变压器的拓扑结构 10

2.2 模块化多电平电力电子变压器基本运行原理 11

2.3 本章小结 13

第三章 模块化多电平电力电子变压器的控制策略研究 14

3.1 直流回路电流的定义 14

3.2 模块化多电平电力电子变压器的脉冲调制技术研究 15

3.2.1 载波移相调制 15

3.2.2 载波层叠调制 15

3.3 模块化多电平电力电子变压器的电压控制算法研究 16

3.3.1 子模块电压平均控制 16

3.3.2 子模块电压平衡控制 17

3.4 双向全桥DC-DC变换器控制策略 19

3.5 本章小结 19

第四章 模块化电力电子变压器控制策略的仿真分析 20

4.1 仿真模型搭建与仿真参数设定 20

4.2 载波移相PWM调制结果 24

4.3 电压控制算法仿真 26

4.3.1 电压平均控制算法仿真结果 26

4.3.2 电压平衡控制算法仿真结果 27

4.4 双向全桥DC-DC变换器控制算法仿真 29

4.5 本章小结 30

第五章 总结与展望 32

5.1 工作总结 32

5.2 工作展望 32

致谢 34

参考文献 35

绪论

电力电子变压器的研究背景

电力变压器是电力系统中重要的输变电设备，主要实现电压等级变换、能量传递和系统隔离等功能。传统的电力变压器利用导电线圈实现交流电压等级变换和系统隔离，制作工艺简单，可靠性高。在100多年的发展中，其导磁材料和铁芯结构等都在不断改进，电能转换效率得到了很大地提升，在高电压大容量的情况下，效率能够达到99%以上^[1]。但是，传统电力变压器仍然存在许多缺点：体积重量较大，空载损耗随着电压水平和容量的增大而增加，铁芯油浸式变压器的绝缘油不利于环保，负载变化和一次侧电压闪变、电压幅值波动将影响二次侧输出电压等等。为了解决以上问题，加上电力电子技术的迅速发展与广泛应用，电力电子变压器的概念应运而生。

电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）又可被称为固态变压器（Solid State Transformer, SST）、智能变压器（Intelligent Universal Transformer, IUT）或者电子电力变压器（Electronic Power Transformer，EPT）。虽然名称不同，但国内外学者对其构成已具有共识，即一种基于电力电子器件，具有电压变换功能的新型变压器。为方便起见，下文中统一称之为PET。

与传统的变压器相比，PET具有无法替代的优点：网侧和负载侧电压、电流和功率灵活可调。目前研究较为广泛的是基于级联H桥拓扑为前级的固态变压器，其具有高压交流接口、低压直流接口和低压交流接口三个典型接入端。与级联H桥相比，近年来逐渐兴起的模块化多电平拓扑具有公共高压直流母线，允许高压直流形式的直接接入，因此将模块化多电平拓扑作为固态变压器前级具有适用性更强的优势，使固态变压器具有高压交流接口、高压直流接口、低压直流接口和低压交流接口四个常用接入端，适用于各种形式的电压接入。此外，PET无介质油，降低传统变压器体积重量。PET还具有单相保护能力，电压平衡能力，抵御闪变能力，抑制谐波能力等等。

电力电子变压器的研究现状和发展分析

电力电子变压器的发展历史并不长。1970年，美国通用电气公司的W. McMurray提出了一种PET的雏形，并申请了美国专利，该功率变换电路具有高频链接环节，能够实现电压升降^[2]。1980年，美国海军提出了一种基于IGBT器件的电力变换器，由于该变换器具有将高压交流电变为低压交流电的功能，因此与传统变压器的功能类似^[3]。1995年，美国电科院资助了这种类型电力变换器的研究，但只研制的实验样机，没有进行推广。由于这种类型的电力变压器没有进行电气隔离，无法实现功率反向流通，因此并不实用^[4]。1996年，日本人K. Harada提出了一种智能变压器，并设计了200V/3kVA的实验样机，变压器工作频率达到15kHz，体积较小且具有多种功能，但缺点是效率较低只有80%左右^[5]。

由于受到早期电力电子器件的电压电流等级、开关频率及工艺水平的限制，学者提出的装置拓扑也有局限。直到二十世纪九十年代，随着电力电子器件的不断升级，SST也取得了飞速的发展。1999年美国德州农工大学的M.Kang和Enjeti提出了一种基于高频交-交环节的变换器拓扑，通过高频方波的方式在高频变压器原副边进行能量耦合，从而减少了变压器的体积和重量，但这个变换器没有直流环节，适用性不强^[6] 。同年，Ronan和Sudnoff提出了三级式电力电子变压器，该拓扑能够直接运用于中高压配电系统，且具有可扩展性，但无法实现能量的双向流动，无功控制灵活性较差^[7]。

自2002年起，美国电科院将逐渐兴起的多电平技术应用到SST中来，研究了基于二极管钳位型多电平拓扑的SST，并研制了实现功率因数矫正、提供非标准电压等多种功能^{[8]- [9]}的20kVA实验样机。2007年，瑞士ABB公司研制了一台应用于电力机车牵引场合的SST，电压等级为1.5kV，容量为1.2MVA，但其高压侧采用的是矩阵变换器，因此结构的扩展性较差，不具有模块化结构的优点。同年，加拿大加拿大Bombardier公司研究了一种采用级联H桥（Cascaded H-Bridge Converter, CHBC）拓扑作为前端的PET，该PET高压侧为单相结构，同样应用于电力机车牵引系统^[10]。

至此，研究人员逐渐将多电平技术融入进PET中来，使PET能直接应用于中高压配电网。作为最早出现的模块化形式的多电平拓扑，CHBC结构在PET中的成功应用使得PET进入了一个新的阶段。自2008年起，美国国家自然科学基金会开始资助美国北卡罗来纳州州立大学建设新型智能微网模型，被称作未可再生电能传输和管理（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management, FREEDM）网络^[11]-[12]，PET正是这个FREEDM系统中的典型接口，其应用如图1-1所示。图中，PET高压侧能够直接连接高压配电网，低压侧具有交流/直流两种通用接口，不仅能够给敏感负荷提高稳定、可靠的电压，同时多种分布式电源或储能装置能够并联于低压直流接口，从电网吸收不足的电能或是向电网提高多余的电能。因此，PET兼具有电压变换、电气隔离、无功补偿、动态电压恢复、直流接口等多种功能。以A. Q. Huang为代表的研究团队研制了高压交流侧输入电压7.2kV，低压交流120V，直流400V，总容量为20kVA的SST装置，该装置正是以CHBC为前级构架，如图2所示。该SST结构的单元模块由H桥单元和双向DC/DC桥组成，模块之间采用输入串联，输出并联的方式，以期实现大电压接入和大电流输出。

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