论文部分内容阅读
随着能源系统中新能源渗透率逐步提升，未来的能源系统中电力电子设备将会逐步占有主导地位。相比较传统能源网络，电力电子化的能源系统具备可控制性强、灵活度高、动态响应快、功能多样化等优势。固态变压器是未来电力电子化能源系统的一个核心设备，本文主要研究一种三级式固态变压器的控制策略改进和硬件实现。
本文分析了三级式固态变压器的拓扑结构，主要包括AC/DC变换级、DC/DC变换级和DC/AC变换级，并建立了相应的数学模型。对固态变压器的AC/DC变换级、DC/DC变换级和DC/AC变换级的控制器进行了设计和改进，同时对单相锁相环的直流消除和频率自适应进行研究，具体研究亮点如下:
1.AC/DC变换级采用基于虚拟惯量的直流母线电压控制，在传统电压电流双闭环控制基础上，引入了虚拟惯量控制环、直流电流前馈环。在系统功率出现波动的情况下，为了有效地抑制了直流母线电压波动，本文通过加入虚拟电容来增强直流母线处的惯性。为了减弱负载电流变化对于直流电压的影响，本文通过加入直流电流前馈环节增强直流母线电压稳定性。
2.双有源桥式(Dual Active Bridge，DAB)变换级通常采用单移相控制确保直流母线电压稳定，但是当负载变化时直流母线电压波动非常明显。为此，本文采用一种负载电流前馈的单移相控制，减弱了负载变化时直流母线电压的波动并且加快了直流母线电压动态响应时间。
3.由于传统二阶广义积分器（Second-Order Generalized Integrator,SOGI）锁相环（Phase Locked Loop，PLL）无法实现频率自适应和直流分量消除，本文采用了一种基于改进型SOGI结构的频率自适应锁相环，其引入了频率预估环节和直流分量消除环节，在电网电压畸变和频率波动的情况下，依然可以实现对于电网电压的精准锁相和频率跟踪。
最后，搭建了一台10kW三级式固态变压器实验平台，对于系统的软件和硬件分别进行了设计，实验结果验证了本文所设计的控制器的有效性。
本文分析了三级式固态变压器的拓扑结构，主要包括AC/DC变换级、DC/DC变换级和DC/AC变换级，并建立了相应的数学模型。对固态变压器的AC/DC变换级、DC/DC变换级和DC/AC变换级的控制器进行了设计和改进，同时对单相锁相环的直流消除和频率自适应进行研究，具体研究亮点如下:
1.AC/DC变换级采用基于虚拟惯量的直流母线电压控制，在传统电压电流双闭环控制基础上，引入了虚拟惯量控制环、直流电流前馈环。在系统功率出现波动的情况下，为了有效地抑制了直流母线电压波动，本文通过加入虚拟电容来增强直流母线处的惯性。为了减弱负载电流变化对于直流电压的影响，本文通过加入直流电流前馈环节增强直流母线电压稳定性。
2.双有源桥式(Dual Active Bridge，DAB)变换级通常采用单移相控制确保直流母线电压稳定，但是当负载变化时直流母线电压波动非常明显。为此，本文采用一种负载电流前馈的单移相控制，减弱了负载变化时直流母线电压的波动并且加快了直流母线电压动态响应时间。
3.由于传统二阶广义积分器（Second-Order Generalized Integrator,SOGI）锁相环（Phase Locked Loop，PLL）无法实现频率自适应和直流分量消除，本文采用了一种基于改进型SOGI结构的频率自适应锁相环，其引入了频率预估环节和直流分量消除环节，在电网电压畸变和频率波动的情况下，依然可以实现对于电网电压的精准锁相和频率跟踪。
最后，搭建了一台10kW三级式固态变压器实验平台，对于系统的软件和硬件分别进行了设计，实验结果验证了本文所设计的控制器的有效性。