无工频变压器级联式多电平变换器关键技术研究

研究采用双向高频隔离DC-DC变换器取代传统级联式多电平变换器中工频隔离输入变压器的技术关键问题。本课题对新一代能量可双向流动的无工频变压器级联式多电平变换器，①整流部分功率模块的拓扑结构、控制方式及电压均衡控制策略；②双向DC-DC高频变换模块的拓扑结构及其与前后级功率模块的协调控制方式；③逆变级功率模块的拓扑结构和PWM调制策略优化及其与前级串联整流模块的功率平衡和电压均衡的协调控制；④各功率变换级电路结构以及变换器整体结构的优化方案进行研究。通过对变换器整体系统进行数学建模及详细地理论分析与计算机仿真，揭示各级功率变换器对整流功率模块电压均衡产生影响的内在规律，从而为确定各功率级的最优控制方式以及各功率级之间的最佳协调配合方式提供理论依据，探索无工频变压器级联式多电平变换器电路拓扑结构选择和控制策略设计的一般性规律，为新一代级联式多电平大功率变换器的设计与实现奠定理论基础。

无工频变压器级联式多电平变换器由于其在新能源分布式发电系统以及智能电网建设中潜在的巨大应用价值，近年来受到广泛关注。此类变换器的一种典型拓扑结构，由三个主要部分组成：前端级联整流级、中间高频隔离双向DC-DC 变换级以及后端级联逆变级。课题组在对此类变换器前端级联H桥整流级（CHBR）的研究中，提出了一种使单位功率因数运行的级联H桥整流级在稳定工作区的优化工作点工作的策略，从而不仅使各级联H桥直流侧电压可以达到最快速平衡，而且使各级联H桥负载的不平衡程度可以得到最大限度地扩展。在对高频隔离双向DC-DC变换级的研究中，为了降低器件的电压应力，课题组提出了一种双三电平半桥（DTHB）双向DC-DC变换器拓扑，并对其在双移相控制策略下的软开关特性，功率传输特性，回流功率特性进行了全面分析，提出了实现最小回流功率的最优控制策略。针对目前广泛关注的双相全桥拓扑结构，课题组同样提出了双相全桥变换器采用双移相控制方式时在满足软开关条件下实现最小回流功率的最优控制策略。并给出了具体的闭环控制实现方法。在对各功率级分别研究的基础上，课题组进一步对整体协调控制策略进行了研究，研究了整个变换器系统在两种可能的应用中的整体协调控制策略框架。一种为变换器输入和输出两端都与中压配电网连接的应用场合，另一种为变换器输入侧与中压配电网连接，双向DC-DC变换器各模块输出端并联在一起与低压直流微网连接的应用场合。针对这两种应用提出并研究了两种不同的协调控制策略，并验证了两种协调控制策略在完成交流电能质量控制，双向传输电能，电压均衡控制等多方面的可行性、有效性和优越性。在上述研究基础上，课题组设计并制作了一款采用双DSP的核心控制板。通过设计合理的算法，将运算任务均衡的分配到不同的DSP芯片上，从而减轻了单个控制核心所承担的运算压力，提高了系统的带宽，简化了控制系统实现的复杂性。为了对上述协调控制策略进行实验验证，课题组搭建了一个四模块级联的无工频变压器级联式多电平变换器的实验平台。对于级联式变流器故障检测研究，课题组提出了一种利用数字信号处理技术和神经网络相结合的故障检测方法。并验证了其可行性和有效性。课题组对于能量单方向传输的级联二极管整流+Boost电路和级联无桥整流电路也分别进行了研究，并得出了一些明显有意义的结论。