基于模块化封装与拓扑集成的高功率密度固态变压器研究

Solid State Transformer (SST) is structured by power electronics circuits and medium or high frequency transformers. SST can realize many functions such as voltage matching, galvanic isolation and power controlling, and thus, is potential for the intelligent power distribution system. However, SST requires many conversion stages and thus has large conversion loss; active and auxiliary components take large volumes; and the conversion stages are hard to optimally design. These factors lead to a relatively low power density of SST. To further promote the power density of SST, this project proposes to structure new SST topologies based on modular multilevel technology, and then realize the high power density by modular packaging, topology integration and cooperative control. Modular packaging distinctly reduces the sizes of the active devices; topology integration simplifies the conversion process and reduces the amount of components; and cooperative control makes the SST work in the preferred region and consequently deduces the amount of auxiliary components. This project will also develop the engineering prototypes of such SSTs, and realize the standardized design and manufacture processes. Such high power density SSTs are expected to better satisfy the requirements of the intelligent power distribution system.

固态变压器(Solid State Transformer, SST)由电力电子电路与中高频变压器组成。SST具备电压匹配、电气隔离及功率调控等功能，在智能配用电系统中具有广阔的应用前景。但SST所需变换环节多，变换过程损耗大，有源器件与辅助电路所占体积大，各变换环节设计约束多，难以实现全局优化。上述原因导致SST的功率密度较低，替代传统工频变压器优势并不明显。为进一步提升SST的功率密度，本项目将采用模块化多电平技术构造新型SST拓扑族，并通过模块化封装、拓扑集成与高性能协同控制来共同提升SST的功率密度。其中，模块化封装使有源器件体积大幅减小，拓扑集成使变换过程更为简洁高效，所需有源与无源器件数量得以减少，高性能协同控制可令SST工作于最优区间，辅助元件数量亦可减少。本项目还将设计该类SST的工程化样机，实现设计生产的标准化。该类高功率密度SST有望更好地满足智能配用电系统的需求。

固态变压器（Solid State Transformer, SST）由电力电子电路与中高频变压器组成。SST具备电压匹配、电气隔离及功率调控等功能，在智能配用电系统中具有广阔的应用前景。但SST所需变换环节多，变换过程损耗大，有源器件与辅助电路所占体积大，各变换环节设计约束多，难以实现全局优化。上述原因导致SST的功率密度较低，替代传统工频变压器优势并不明显。为此，本研究（1）采用低感封装器件与主功率布线优化、辅助电源与驱动电路集成设计、硬件均压取代软件均压、基于运行特性校核模块损耗等方法，实现子模块的高集成度设计；（2）提出了一种可将工频交流直接变换为中频交流的变换环节，实现了子模块和磁性元件的复用。给出了该SST的设计和控制方法，并对该SST拓扑的经济适用性进行了分析和评估；（3）提出了一种可紧凑地实现直流到中频交流变换的变换环节，实现了上下桥臂子模块的合并、无电压传感器均压、功率器件的ZVS以及辅助电路的ZCS；（4）将MMC型直流-直流SST的应用从两端口拓展至三端口，提出了一种利用两个高频变压器组合的端口拓展方法，有利于端口之间的功率解耦，显著简化了功率控制；（5）针对MMC型SST中存在多种频率成分功率流的特点，提出基于多坐标系变换的控制框架，在不同的坐标系里实现特定频率成分功率的控制，同时实现了对其它频率成分功率影响的抑制；（6）针对MMC型直流-直流SST状态变量多、控制目标多的特点，提出了MMC型直流-直流SST的多目标控制方法，实现了电流内环、功率/电压外环，优化逻辑控制和故障穿越控制等多个目标的协同控制；（7）基于提出的MMC型直流-直流SST及其控制系统，进一步制定了其与直流配电网的配合运行方法，进行了功率反转、母线电压跌落、负载短路以及单极运行等配网运行研究；（8）完成了高集成度SST拓扑设计方法的归纳与推广，提炼与总结了该类SST的标准化设计方法；探索了子模块和MMC系统的先进控制方法，为SST性能的进一步提升提供了技术储备。上述研究进展与成果可用于构造高集成度、高功率密度的新型SST，有望更好地满足智能配用电系统的需求。