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湘潭大学-电力电子变压器改进均衡控制与前馈控制策略研究

用户与研究成果简介:

湘潭大学李帅虎老师科研团队,针对电力电子变压器电压与功率不均衡的问题和直流电压母线电压波动问题,提出了一种基于阻抗控制的功率均衡控制策略,旨在实现电力电子变压器的暂态电压与功率均衡;在此基础上,考虑并联DAB变换器的漏感参数偏差,将阻抗控制和前馈控制策略结合起来,进一步提高了电力电子变压器的电压波动抑制性能;研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器进行实验验证,通过实验结果验证了所提控制策略的有效性与优越性,并把成果总结发表于《IET power electronics》:

Liu, Z., Li, S., Xiao, F., Wang, T., Cao, Y., Li, Y., Zhang, X.: Adaptive control strategy of solid state transformer with fast dynamic response and enhanced balance performance. IET Power Electron. 1–11 (2021). https://doi.org/10.1049/pel2.12231。


课题研究背景



PET均衡控制与电压波动抑制策略研究意义与现状

级联H桥型电力电子变压器(power electronic transformer, PET)采用输入串联输出并联(input series and output parallel,ISOP)的拓扑结构,级联H桥输出的直流电压可视为悬浮电源,各H桥模块的输出电压则受到各H桥的负载影响。而并联DAB变换器传输功率受到输入的悬浮电压源以及硬件参数的影响,功率传输不可控。若PET在运行过程中出现电压不均衡或并联DAB变换器传输功率不均衡的情况,可能会导致功率器件过电压或过电流。而过电压或过电流则会触发保护装置使得系统瘫痪,甚至烧毁器件。因此,保证PET中各H桥输出电压均衡与并联DAB变换器传输功率均衡是PET安全与稳定运行的前提。


此外,负荷变化易造成PET的中高压直流母线电压以及输出电压大幅波动,影响PET的直流端口供电质量。电容电压的频繁波动也会缩短电容寿命,增大开关器件的电压应力,甚至影响系统稳定性。


诸多学者对电力电子变压器的电压与功率均衡控制与动态性能提升进行了广泛的研究。然而,以往文献的均衡控制策略控制性能有限,易受负荷波动影响。此外,提升动态性能的前馈策略与均衡控制策略通常独立设计,两者之间没有关联,这既影响了系统的均衡控制性能,又降低了系统的动态响应速度。因此研究提出一种基于阻抗控制的均衡控制与前馈控制策略,以实现更优的电压波动抑制与均衡控制性能。


电力电子变压器拓扑结构与原理

为适应高压大容量的应用场合,级联H桥型PET采用ISOP的结构,其输入级由多个H桥串联形成级联H桥,达到串联分压的作用;而隔离级则采用多个DAB变换器并联,达到并联分流的作用。主电路模型如下图所示:


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基于自适应阻抗的均衡控制以及改进前馈控制策略

传统的PET均衡控制策略通常只能实现稳态的电压与功率均衡,其均衡状态受负荷波动的影响,湘潭大学李帅虎团队从阻抗角度对PET的电压与功率不均衡机理进行了分析,提出了一种基于阻抗控制的功率均衡控制策略,实现了并联DAB变换器暂态电压与功率均衡。在此基础上,结合阻抗控制与前馈控制,进一步抑制了负荷变化时的中间直流母线电压波动。


 并联DAB变换器的简化阻抗模型如下:


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其中,eL为各DAB变换器的等效输入电源,在整流级电压均衡控制作用下,各中间直流母线电压均衡,因此各DAB变换器的等效输入电源相等。而ZDABi、iloadi分别为第i个DAB变换器的等效输出阻抗与输出电流;Zload为各DAB变换器并联输出所连接的负载。从阻抗交互的角度,保证各DAB变换器的输出阻抗一致,即可实现并联DAB变换器的传输功率均衡。


在此基础上,考虑DAB自身阻抗特性,绘制基于阻抗控制的功率平衡控制与改进前馈控制策略下DAB变换器的传递框图如下:


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其中,Lcki和Lkd分别为第i个DAB变换器的计算漏感值与设计漏感值;Dm为共同的移相比函数,而GeDIi则为第i个DAB变换器中移相比函数Dm到副边H桥输出电流i2i的等效传递函数。若能够保证比例系数Lcki/Lki(也可视为阻抗系数)相同,就能够保证每一个DAB变换器的传递函数GeDIi相等。因此,通过反馈控制调节各DAB变换器的阻抗系数,即可实现各DAB变换器的输出阻抗均衡。


注:具体的控制框图以及数学推导详见湘潭大学李帅虎科研团队发表的文章。


基于实时仿真器的算法验证



基于任意拓扑小步长实时仿真的故障诊断方法验证

研究在实验验证阶段,模拟了在负载突变情况下,电网侧电压、电流、中间直流侧电压、输出电压以及并联DAB模块功率差异的变化情况,验证了所提策略的有效性与优越性。一般来说,电力电子变压器组成模块较多,难在实物系统上实现;纯软件仿真又有无法接入真实控制器的缺点,较难反应出真实控制器中的延迟和有限精度。 实时仿真器可以同真实控制器连接,又不会有硬件实验危险的问题,是电力电子变压器控制策略验证的理想测试设备。


任意拓扑小步长实时仿真对于IGBT故障诊断方法验证的重要性

电力电子系统通常含有高速动作的开关元件,其实时仿真有一定挑战,通常有两种方法来实现电力电子系统的实时仿真,一种是基于PWM占空比测量的平均值大步长方法,一种是基于细节模型的小步长实时仿真。


对于电力电子变压器的控制策略验证,它需要检测到瞬时电路反应,而不是经过大步长平均的信号,因此基于PWM占空比的平均值大步长方法不适用于此研究。同时实时仿真器要能够仿真各种故障工况,或者说任意的拓扑组合;一些只能仿真正常工况的实时仿真器也不适用。


远宽能源(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,基于电力电子器件的细节模型,利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真,被广泛应用于牵引供电系统故障诊断、控制策略验证、可再生能源并网、电机驱动等的实时仿真中;湘潭大学的科研团队就采用了StarSim电力电子实时仿真器来进行所提出的基于阻抗控制的均衡控制策略与改进前馈控制策略的试验验证。  


下图是HIL+RCP测试平台示意图,其包括实时仿真系统HIL和快速原型控制器RCP, 其中电力电子系统是利用StarSim FPGA Solver按1微秒的步长实时仿真;控制算法模型运行在RCP控制器上,实时仿真器和快速原型控制器通过真实的物理IO互连。


202204080004.jpg


为了更好地分析控制策略的效果,本文对传统功率均衡控制策略(TBC)、传统功率均衡控制策略+传统前馈控制策略(TBC-FC)、所提自适应阻抗控制策略(AVIC-FC)进行了试验对比。


下图为在小步长实时仿真实验平台上不同策略下的电网侧电压、电流、中间直流侧电压、输出电压的实验波形。

  202204080567.jpg


由图(a)、(b)、(c)可以看出,所提AVIC-FC策略实现了暂态的电压均衡,并且具备最优的电压波动抑制效果。


同时,本文还验证了所提策略的功率均衡控制性能。下图为不同控制策略下,DAB变换器1和2之间的传输功率差异。

  202204088910.jpg.png


从图中可以看出,所提AVIC-FC策略实现了PET的暂态功率均衡,具备最优的功率均衡性能。

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