直流配电网多端口电力电子变压器拓扑与控制关键问题研究

DC distribution network is an effective way to incorporate distributed generation, improve the power quality of distribution network, and realize the stable operation of power grid. In DC distribution network, the voltage grade span of different load is large, and the output voltages DGs with different types are different. Therefore, there are many different voltage levels, and it needs large number of power converters. In order to avoid using single function converter, and solve the decoupling and coordination problem when lots of converters running together, a multifunctional converter is proposed to replace the single function converters. This project intends to study Direct Current Multi-port Power Electronic Transformer (DC-MPET), and implements one converter to solve the difficult problems of voltage transformation and power flow distribution under multi-voltage grades. This project intends to solve the topology design problems of DC-MPET when high-power, high-gain and multi-port is considered; It also reveals the operation mechanism of DC – MPET under the conditions of load and DG fluctuation, and proposes a control strategy to stabilize the voltage and to balance the power flow; It studies the fault protection strategies and fault-tolerant operation of DC-MPET with electrical disturbances. This project will provide theoretical and technical support for the development of DC distribution network. The application prospect is wide, and this project is with important scientific significance and research value.

直流配电网是高效接纳分布式电源、彻底治理配电网电能质量、可靠实现电网稳定经济运行的有效途径。直流配电网中，不同类型负荷的供电电压等级跨度较大，不同类型分布式电源输出电压等级也不同。包含多电压等级的直流配电网需要大量电能变换器，为了减少单一功能变换器的使用，解决多台变换器解耦与协调难题，提高电网运行效率，提出用一台多功能变换器替代多台单一功能变换器的思路。本项目拟研究直流多端口电力电子变压器DC-MPET，实现一台变换器解决多电压等级电压变换和潮流分配与转移难题。拟重点解决DC-MPET跨越多电压等级的高增益大功率多端口拓扑设计难题；揭示负荷与分布式电源波动下的DC-MPET运行机理，确定其电压稳定与潮流平衡策略；研究电网扰动下DC-MPET故障保护策略和容错运行方式。本项目为直流配电网和用户直流供电系统等领域的发展提供重要理论与技术支撑，应用前景广阔，具有重要的科学意义与研究价值。

为解决含多电压等级母线的直流配电网中单台变换器难以高增益大功率运行、多台变换器解耦与协调控制困难、分布式电源及电网等扰动严重影响变换器稳定运行等问题，本项目开展了直流多端口电力电子变压器（DC multiport power electronic transformer, DC-MPET）拓扑与关键控制问题的研究，解决了跨越多电压等级的DC-MPET高增益大功率多端口拓扑设计难题，揭示了负荷与分布式电源波动下DC-MPET的运行机理，研究了电网扰动下DC-MPET故障保护策略和容错运行方式，并设计和研制了DC-MPET的实验室样机和工程样机。本项目研究主要成果包括：.（1）提出了适用于交直流电网具有高增益、大功率运行特性的DC-MPET拓扑。针对现有拓扑中大功率与高增益两种特性之间的矛盾，提出了基于级联H桥、基于多绕组变压器等结构的DC-MPET拓扑，同时兼顾大功率与高增益的运行特性，并具备灵活可控的多向潮流运行特性。.（2）刻画了负荷波动下DC-MPET内部能量流动机理，剖析了DC-MPET在不同负荷扰动下的暂态过程，提出了划分DC-MPET稳定工作域的分析方法，提出了基于向量调制、功率前馈的优化控制策略，解决了接入非线性负荷时DC-MPET输出电能质量恶化的问题，确保负荷波动下DC-MPET的稳定运行。.（3）深入分析了与分布式电源共同运行的DC-MPET工作机理、潮流特性，提出了在多向潮流复杂工况下DC-MPET的综合分析方法，针对光伏、储能等实际分布式能源系统提出了DC-MPET的协调与优化控制策略，保证分布式能源波动、退出、故障等工况下DC-MPET的稳定运行，同时实现对分布式能源的最大化利用。.（4）全面总结了交直流电网中DC-MPET的各类故障，提出了快速可靠的故障检测方法，剖析了故障过程中DC-MPET的暂态运行机理，刻画了DC-MPET容错运行和持续运行边界，提出了不同故障下DC-MPET的故障保护和故障穿越策略，保障DC-MPET在各类复杂工况及恶劣环境下的稳定运行，有效提高了DC-MPET的供电可靠性。.（5）搭建了三端口直流变压器实验室样机，设计并研制了交直流多端口电力电子变压器工程样机，验证了所提拓扑、控制策略的正确性，形成了完备的DC-MPET工程化设计、运行和保护方案。