直流固态变压器双向功率变换及控制的研究

DC solid state transformer may become an important part of future distributed power generation and DC power grid. It can greatly improve the capacity of power distribution system to accept renewable energy and enhance the reliability and economy of power system. The project focused on the research of power electronics topology and modulation methods for DC solid state transformer. And the power electronics circuit design method will be explored. The bidirectional power conversion topology, modulation method and power device is the key factor to determine the power density and power transmission efficiency of DC solid state transformer, which provides the theoretical basis for the design of a high efficiency and compact solid state transformer. Large-capacity high-voltage solid state transformer is usually composed of multiple power conversion units. The modulation scheme and the cooperative control strategy should be designed to realize the voltage and current balance among the power conversion units. Meanwhile, the faulty power conversion unit should be isolated with proper fault diagnosis method and fault-tolerant strategy. In this way, the reliability of DC solid state transformer system can be enhanced. DC solid state transformer operates in high voltage high power and high frequency conditions, the cooling and insulation issues should be handled while ensuring a high power density, which is the key to realize the miniaturization design for DC solid state transformer. The expected results of this project will provide theoretical support for the engineering practice of DC solid state transformers.

直流固态变压器是分布式发电和直流电网构建的重要组成部分，它可以提升电网接纳新能源的能力，提高系统的可靠性和经济性。本项目重点突破直流固态变压器电力电子拓扑及调制方法，掌握直流固态变压器的电力电子电路设计方法。双向功率变换拓扑、调制方式以及功率器件是决定固态变压器功率密度和传输效率的关键因素，是直流固态变压器的高效率和小型化设计的基础。高压、大容量直流固态变压器由多个功率变换单元组合而成，需要研究协同控制策略来保证功率变换单元间的电压、电流均衡，同时通过故障诊断和容错设计来实现故障功率变换单元的及时隔离，以保证直流固态变压器系统的可靠运行。直流固态变压器运行在高压、大功率、高频的工况，在解决直流固态变压器散热、绝缘等问题的同时，必须保证小型化是直流固态变压器设计的又一个难题。本项目预期成果将为直流固态变压器的工程化实践提供理论支持。

直流固态变压器是分布式发电和直流电网构建的重要组成部分，本项目重点围绕直流固态变压器双向功率变换拓扑、控制的研究。在直流固态变压器双向功率变换拓扑的研究方面，提出了全软开关双向直流固态变压器拓扑及软开关调制方法，有利于提高固态变压器标准模块的功率密度。在固态变压器高压大容量化的变压单元组合电路方案的研究方面，提出了两级式架构的直流固态变压器及协同控制方案，建立了直流固态变压系统动态模型，设计系统协同控制方案和控制环路参数。探讨了直流固态变压串联标准模块运行个数的动态调节策略，通过实时调节标准模块运行个数实现整机最佳效率运行。在固态变压器容错的研究方面，分析了两级式架构的直流固态变压器在发生单管短路故障时的故障特征，设计了电路容错策略和直流固态变压器系统容错协同控制方案，提升了直流固态变压器可用度。在固态变压器的中频隔离变压器的设计方面，研究了中频变压器功率密度优化设计方法，搭建了中频变压器样机，进行了阻抗测试、损耗测试、效率测试方法的研究。中频变压器样机具有8.1kW/L功率密度和99.6%估测效率，验证了优化方法的可行性。在固态变压器和电网相互作用的研究方面，分析了直流固态变压器故障穿越需求，为无直流断路器直流系统的短路故障清除提供了有利条件。探讨了具有直流故障穿越能力的直流固态变压器拓扑及其控制策略，满足了直流短路故障清除时间要求。分析了影响故障穿越及直流电网恢复的因素，实现了短路故障的快速清除以及直流固态变压器在故障穿越期间的安全运行。研制了20kW全软开关碳化硅直流固态变压器标准模块，进行了正、反向功率传输试验，双向功率传输满载效率达98.1%，峰值效率达98.4%。 研制了面向中压应用的4模块全软开关直流固态变压器试验平台，搭建了直流固态变压器级联控制系统，对直流固态变压器主电路设计、软开关调制方法、软起动设计、单元组合、协同控制和功率双向传输等进行了实验验证。