电力电子变压器的并联运行及其电网适应性研究

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由电力电子变换器与高频变压器构成的电力电子变压器(power electronic transformer,PET)不仅具有电气隔离、电压等级变换的功能,还具有无功补偿、潮流控制、电能治理、可再生能源直流接入等功能。PET的主要应用场合有机车牵引、新能源并网、输配电网等领域。本论文针对PET并联运行时存在的环流、直流母线电压波动问题,以及PET并网适应性问题展开研究,提出了对环流及电容电压波动的抑制方案,利用阻抗建模的方法,研究了电路参数变化对PET电网适应性的影响。首先,根据高压侧与低压侧的要求,讨论PET的三级式电路拓扑,对每一级采用的电路拓扑、工作原理、控制方式进行具体介绍。其次,研究两台三级式PET并联运行时低压侧与高压侧的环流问题及抑制方法。高频变压器的隔离作用使PET两侧的环流可以分开研究,在研究一侧的环流时可以把其它级电路进行简化,以等效电路的形式表示,然后在等效电路中画出环流流通路径,给出环流定义,根据基尔霍夫电压定律推导出数学关系式,分析影响环流大小的因素。本论文提出一种对低压侧与高压侧均适用的环流抑制策略,利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型,仿真结果证明环流抑制策略的引入能够明显减小环流。针对低压侧中点钳位型变换器(neutral point clamped,NPC),搭建了两台PET低压侧并联的实验平台,实验结果再次表明本论文所提环流抑制策略的有效性。再次,研究PET并联运行时的协调控制。PET实际传输功率在跟随调度指令变化时,会引起直流母线电压的波动。为了保证直流母线电压的稳定,需要对直流母线电容电压的波动进行抑制。PET并联运行时,同时要考虑环流抑制问题,因此要对环流问题与直流母线电压波动问题实施协调控制。利用MATLAB/SIMULINK搭建了参考功率改变、功率翻转、PET投入切出等不同工况的仿真模型,仿真结果验证了本论文所提协调控制策略的有效性。最后,利用dq阻抗建模方法研究PET的电网适应性。针对PET低压侧基于NPC变换器的等效电路,建立小信号模型,考虑锁相环(phase-locked loop,PLL)、电流环控制环节的影响建立等效电路的dq阻抗模型,利用奈奎斯特稳定判据对PET接入弱电网下的并网系统稳定性进行分析。利用MATLAB/SIMULINK研究不同的电网阻抗、PLL控制参数、电流环控制参数对PET电网适应性的影响,给出系统稳定与不稳定条件下的频域阻抗和时域波形图,验证了并网系统参数对并网系统稳定性影响的分析。
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