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上海交通大学:应用于直流电网的直接耦合式直流变压器

2017-07-03 14:32来源:中国电机工程学报关键词:直流电网技术直流变压器耦合式直流变压器收藏点赞

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双向Buck变换器拓扑和基本波形分别如图3、4所示。直流变压器中的链式模块1、2分别与Buck变换器中的两个开关管S1、S2相对应。当链式模块工作于高电平状态时,其类似于开关管的关断状态;当链式模块工作于低电平状态时,其类似于开关管的导通状态。理想Buck变换器上下开关管换流不需要时间,但是两电平直流变压器需要换流时间,它的换流过程如图2中的黄色区域所示,换流时间为DsT。由式(28)可知,Ds与桥臂电感La相关,La越小,Ds越小,即变换器换流时间越短。当电感La趋于零时,此时移相占空比Ds也趋于零,将式(28)分别代入式(22)、(23),可得:

图3 双向Buck变换器

图4 Buck变换器主要波形

若忽略输出滤波电感电流波动,电感电流i3稳定在:

由式(29)、(30)和(31)可求出i2的最大值I2max和最小值I2min分别为:

观察式(29)—(33)可知,由于换流时间DsT趋于零,i1和i2均为幅值为P/Udc2的方波,此时两电平调制直流变压器的工作情况与Buck变换器完全一致,这说明当桥臂电感La趋于零时,这两个变换器是等价的。

根据式(30)可知,当La较小时,i1的最小值I1min约为零,而基于正弦波调制的直流变压器产生的交流环流幅值为流过各链式模块直流电流分量的2倍以上[18],这说明在传递相同的功率时,本文提出的两电平调制直流变压器的电流有效值更小,损耗小。

2、控制策略

2.1 阶梯波准两电平调制与子模块电容电压均压策略

链式模块若采用两电平调制,链式模块中所有子模块电容同时投入或切除,若各子模块电容容值存在差异,子模块电容电压存在不均衡的现象。且同时投入或切除会产生非常大的du/dt,并引起严重的电磁干扰。针对这个问题,本文提出了一种阶梯波准两电平调制策略,链式模块的输出电压如图5所示。链式模块在高低电平之间切换时分别存在电压上升和下降暂态过程,在电压上升和下降暂态过程中每过Td时间投入或切除一个子模块电容,由于Td<

图5 阶梯波准两电平调制

在电压上升和下降暂态中,直流变压器根据流入链式模块电流的方向和子模块电容电压排序结果投入和切除适当的子模块电容,即可实现链式模块中各子模块电容电压均衡。为了减小开关频率,每个子模块电容在电压上升和下降暂态过程中只投入和切除一次。这里以链式模块1为例,分析子模块电容电压均压策略。在电压上升暂态过程中,若i10,链式模块1投入剩余子模块中电压最小的子模块电容;若i1<0,链式模块1投入剩余子模块中电压最大的子模块电容。同样地,在电压下降暂态过程中,若i10,链式模块1切除剩余子模块中电压最大的子模块电容;若i1<0,链式模块1切除剩余子模块中电压最小的子模块电容。

2.2 移相控制策略

由式(25)、(26)可知,若移相占空比ds小于其稳态值Ds,有WCl10,WCl2<0,即链式模块1吸收有功功率,链式模块2释放有功功率。此时,链式模块1中子模块电容电压整体上升,链式模块2中子模块电容电压整体下降。同样地,若dsDs,链式模块1释放有功功率,链式模块2吸收有功功率,此时链式模块1中子模块电容电压整体下降,链式模块2中子模块电容电压整体上升。因此,可将链式模块1中子模块电容电压平均值uC1_avg与链式模块2中子模块电容电压平均值uC2_avg之差通过低通滤波器和PI调节器作为移相占空比ds的给定值。其中,低通滤波器用于抑制子模块电容电压波动对ds的影响。具体控制框图如图6所示。

直流变压器

图6 整体控制框图

原标题:上海交通大学游洪程,蔡旭:应用于直流电网的直接耦合式直流变压器
投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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