论文部分内容阅读
本文以单相三级(整流级、双有源桥(Dual active bridge,DAB)级和逆变级)级联固态变压器(Solid state transformer,SST)为研究对象,在分析级联系统恒功率负载特性的基础上,研究其控制方法,旨在提高单相SST的整体动静态性能,主要关注于电流响应速度、稳态误差和电压响应速度、纹波电压。重点研究预测控制和能量-功率控制在单相SST中的应用,按照从电流内环到电压外环,从独立单级变换器到级联多级变换器的顺序,逐步研究单相SST的整体控制方法,实现SST系统动静态性能的优化。首先,建立单相SST的开关模型、平均模型和小信号模型。根据小信号模型的伯德图对单相固态变压器的PI控制器进行设计。在Matlab/Simulink中建立单相SST的平均模型和开关模型,来验证其控制器设计以及单相固态变压器的功能。其次,提出了dq轴积分预测电流控制,可以获得整流级电流的快速动态响应和零稳态误差。PI电流控制器只具有小信号稳定性,而预测电流控制虽然可以实现电流的快速响应,但对电感参数和干扰敏感。本文利用整流级的dq轴模型,引入权重电流误差,通过增量电流与权重电流误差的最小化,引入积分环节,可以克服预测电流控制对电感参数和干扰的敏感性,同时减少稳态误差,同时具有快速的电流响应。整流级在dq轴下,时变状态量变成时不变状态量,有利于预测电流控制的分析和设计。第三,通过恒功率负载对DAB级电压环的影响的分析,提出了基于功率前馈的DAB级能量-功率控制方法,提高其在恒功率负载下的稳定性。提出了基于滑模观测器的直流负载功率估计方法,提高了DAB级在直流负载突变时的动态响应。为了DAB级在逆变级负载功率突变后的动态响应速度,提出了逆变级有功功率和瞬时功率两种前馈控制方法,可以提高DAB级在逆变级负载突变时的动态响应速度。第四,考虑到DAB级不同工作状态的恒功率负载特性对整流级的影响,提出了基于功率前馈的整流级能量-功率控制方法,将DAB级直流负载的功率估计值和逆变级有功功率前馈到整流级的功率控制中,使得整流级可以快速获得负载突变信息,提高了整流级的电压响应速度。对单相SST固有的输入输出100Hz功率分析,提出了单相SST的功率纹波控制方法,降低了单相SST直流电容中的100Hz电压。第五,搭建一套单相SST实验平台,对上述控制理论和方法进行实验验证和分析。