电力电子变压器隔离级并联双有源变换器的控制与建模研究.docx

1、9中*-8合肥工业大学学报自然科学版)UbURSbHE1曰UCIVEFTTTwoTB2H(oo*w电力电子变压器隔离级并联双有源变换器的控制与建模研究马春艳段青刘君恐”刘海军李玉凌施永4隔离级需要同时实现低压直流母线电压技制以及II块电流均衡控制，对此，文章提出了采用低压直流母线电压外环和并联模块电流内环的双环控制姑构+给出多双有源桥并联系统小信号建模方法翼立多双有源桥变换器并联的小信号模型少析了电压调节器和电流调节器参数变化对系统特性的影响.为参数选取提供了理论依据+最后通过仿真分析验证了所提控制方法的有效性和建模方法的准确性+关键词也力电子变压器衣有源桥变换器控制方法遂模小信号分机中曲分类

2、号T文鼠林艮玛A文章弟号GDfenBiQWOfc1O1QPNclGtW$PXMO1FSGTrcT3BreartSDcOPs1rro/srsqSdBrywpVAb,DUACGSnqulr-I|UHjT冬-KBaPAJRDOb*-OCf3到TCF3，。E1-枣玛TkdtqEWKDRDgFQO虾3IsEHaPDQSO亓AF?ERRpcT中整y时Gb-,X,AOryo,Ci-PT/T七ORv3EPi”POEl*F勺bBfc?FXl130Edg弋g0Q2HPa。EJCE1-eaORQA3bQfcP,FCECD,CPraxGteDC产mxaeQPQQrci?-feC?-fie?CFx-口PQQpri3|D

3、5ePBfSJ-saGESQFPeQerffl眼pRmmppxxfeiC3QGEfcePLirasC5咋女政5盘1wD1PcF矽tffpi35恣Pgg冶e*S?-feC?PPQSP-AgF?QQ|SZEKdlepitpXPWQQr(imW-疗QGEoPCascQ)1rWd1多电力电子变压器是一种通过电力电子变换技术实现电能变换的浙型智能变换器邪比于传统电力变压器n电力也子变压器具有体积小-质量轻控第N期ft斌舞既有预应力混凝土桥梁结构承载能力时变可靠度研究今9EC页金&主田莆域医技力筑时间艾H佛君自可靠建分&车关而亲HHR咒PEI冒么品学会麻梁圳垮您l&分会气狂年全国桥梁学木会认访攵桌T:京3

4、民交通黄垮您学艮SBB9C）卒巨rECRTHTVP-FCHrM5rtDQcufeps;EP1宙OA乜/&tqoO1*5(3s0F5Wi1BCteEeaBd5lGQ5benA小油.罗4-BTVcRIw曰rl3430041-UG也902-B-Et豆有翌莅土麻巢君肉圣干it艾可辛度的许5研兄PB冥碧学大学对乒&DE4有公晶程每乒胡0）T.BI索莆t*X恭方蝴公麻樊割会#企&殳有软如值Qr-*E-r5es$专家我员会吆岳林巢为用囹崇日式的直力混筏士荷支丁梁桥上*自茴IVH京玄民关/世版U”EB44-C4中交会黑*11&计修0宙.&温蔑土艮我废力易爰士桥活艮计斐五cJT*DJMMIMeet京iMImKt

5、t,-aj.-馈任编辑张淑艳）充DH国工程再学和弁4。尸冬4-BC10ftJS/鱼帛别用梁车可有发的及会分布巨.率爆口?布华大学学换aH却学版8二rin户.COC玄建EJI*番号废员力劣化曲氏有国缶思莅土将维3i5OfjFro1REHSJETDSeEoEa崔第乜。页&CA(E=?AJ=aoR-A1oeMvc?pcvnZFP时P，罚bPfc?gM50*f口的=卢ISS4_E-Ct?G童恙超威技K电系里电力电子支K若拓11也能苜技术R50）中冬一厢禺式1向全店DGOCt炭蚤的灼幸任制容也此故与分折dm1枝木学牌R）。二番您于直修相长甘的,有原昏DG-C殳佻签的*关DB工技术学艮b号*矛*AFTE*

6、C匹SHBFARrcdboWGK33PODBQ-P30rtfeQjdC3fcP)ErQfcjOTb-t-CqHX5-Dt*VvHDI-XBAoVCmQ|dKQFVRSQDCrCfcjQ05-eCfeo1RvEteTtQ4D%gE1_Al-DoJL4-PL吴藉&45丘高列艾氐卷血册与及计DHHitB5I大学知y-E4JrOVf侦任编辑张1HB-cpfc1GS&QQ25PDbQHPTfe-CWRDfcODQ-oosbUEsQiy-ETREKTtiQCBJ6)二性高等特点北方电子变压器的诸多优点使得大功率电力电子变压器成为未来电力系统变eori方向u高氏大访率电力也子变危器有多种拓扑结构厂般包含高压

7、级誓离级和低压级）个部分.高压级常采用级联H桥或者VVC等结构脚离级变换器的选取上昶常采用OiHOORO8*卜肩日期24&9节00-JOIMS扣家电目公司鼻莅资此项目-OUMW等攵为电力电子变压器隔离级的控制器设计提供了理论依据十图。中霸离级的控制目标是维持低压直流母线电压的稳定同时实现多个双有源析变换器之间功率的均衡控制+。隔离级控制和建模分析NnIIgsa方法隔离级双有源变换器中间采用高频隔离变压器频变压器的分布电容和漏感会对变压器魄估产11府我鼎艾i（EE分折布也容主要影响变压器输出电压上升沿的震荡频率和震荡隔值表压器漏感的大小也会影响变压器输出电压上升沿的陡度和震荡频率以及幅值粉布阻容

8、和漏感主要影响的是变压器输出电压的高频响e直喝文就ehossjs费e*分布电容和漏感弓i起的震荡响应都在数百千赫兹以上Ofir电力电子变压器拓扑结构r电力电子变压器拓扑结构本文采用的电力电子变压器拓扑结构如图所示北力电子变压器包含高压级推离级和低压级）个部分+高压级采用三相H桥级联变换器结构，隔离级采用双有源桥变换器并联的结构OS有SftDC/OO变OOEO压级H桥单元直流电容相连接+各个隔离级双有患桥DQ4DCOSOOEOO-起郭成低压侧直流母线+低压直流母线连接低压级三相逆变器氏压级输出可以连接分布式电源或者伊载等设备+模块储发脉冲I模块2触发丛而T调制2模块3触发脉冲矿调制N礼P1图N隔

9、离级控制结构枢图V2FCf*.*=1DAB1TdAB2/DARViE4OOBgSgftwruWfiJE器分布参数对电流和电压控制环路影响较小会过简化骗离级多双有源桥变换器并联的控制框图如图=所示+为了分析方便*分析前对模型进行了一定程度的简化密略了分布电容胴时将高频变压器的漏感和外接电感一起等效到图会中的里项匕模型会忽略掉隔离级变换器的高频响应特性疆是不影响本文的分析结果+为实现隔离级多双有源析变换器之间的功率均衡和低压级直流母线的电压控制舞离级采用低压直流母线电压外环W有源桥变换器模块电流内环的双环控制结构+下面对国2所示的控制结构框图进行数学建模和简化+双有源变换器的工作模态较多项果考虑开

10、关模型翼模过程和模型较为复杂孜献0DXU开关痕本分折的基血上#出双有耍变换器模块周期平均模型怀文将以上述文献中的周期平均模型为基础罪立双有源变换器模块的数学模型和多双有源变换器并联的数学模型+图N中的开o,oriaoo.分析探二个双有源轿变换器的低压侧电流传递函数为：_lxrVAma一m)芸=；H+1干1其中EMM8=为SOSOIOfiropMESMS为O1itSOEmMMK为#ftrOSO?TKOOO8;l感之和+为实现并联双有源桥变换器之间的功率均街电流内环采用各个双有源桥变换器电流独立控制的方式真中第二个双有源桥变狭器电流内环的调节器表芭式为二、：IaJrm=、决-二)4)+t其中OOt

11、ftOz7rOiO变我器fflosoofiosooMOI;?I二个或有藕If变换薜元的ftEISOfi$为双有兼U变相器瓣数tffKOUOSWMHlM参考值+隔离坂小信号建蒙研兄据上一节讨论的隔离级变换器模型和控制环节传递函数才节依次在各个环节加小扰动信号jj+gmoa-ntoff小信号扰动第到第二个双有源桥模块的小信号模型为二长_今=yrr*yOi!$MOftOiS招低压侧直流母线的电酉表达式为二V_Ro:N=RC.+*wO、其中FbOOIHIS。为低压直流母发总4容京2为&庄偿息电总A+景母+使；参，OOO9,可以将图2的控制框图简化瑞离级简化控制框e)图如图)所示+图)隔离级简化控制框图

12、.耳ex)4斤小信号！t协josma电压小信号模型为二A:图中电压乙的传递函骸为Z=(fA-V0)知P之成=RCE+5。r-*月理0X枝厅小扃号忱司中4$OOIaooemuStEfifi丁氏二1、分OOPIiMOItOSO.MS了为Fl目市器的赏分算子+4It导出成压调节器环节的小信号传递函数+为了简化模型诙推导前先建立电压控制环节的承接性中间bq_v-VGTvrVs承接变量环节的小信号模型为二KA/n月0花行小信号此却分折Ji6的An：=pt/q+iZV*iq=$费t*QOJf*qMOEOilO的关系为二6中，可推导出低压直流母线电压调节器环节的小信号模型为二=一nr即坦_.心-二0)a_p

13、气甘该与小信号执询崔导出$个齐联双有源桥变换器电流控制环节承接性变量的小信号模型为二E砰N2_=M5X$L/V$ZMx$=-IN4后肖w顶计ff小信号代询OOI个单元的电流环节小信号模型为二A*q=W顶-0项一。顶-CO顶午京；JO1$tOflO;OOI15+信号模型为：l_其中AtxoAMxC=O里$3做r/pexso-Mex$生俱Ox$yp&x$-生砰做$生该。X$-8F&X$：AX&X$1C次x$上述分析了$个双有源桥变换器并朕的建(&08D)X模方法+下而将以个双有源桥变换器并联的情况为例对并联双有源桥变换器的小信号模型进行系统稳定性和动态特性分析+8oa7rSSOO#联的小信号模型为

14、zAM(a*f，Or七b冬pxrApx&OxOxQc冷-MxOxOABfe*0XC-x-AABfe0X。00,x13$egx)1rAp0x)6Bex、)，a根据经典控制理论”小信号模型的特征矩阵包含系统的全部信息晓够反映系统的稳定性J态特性以及阻尼特性+可利用系统的状态矩阵绘制系统的特征根分布迪过系统的所有特征根的分布情况对系统的性能进行分析项察参数变化对系统特征根分布的影响才析参数对系统特性的I!旬JyOfiOJ1OI.在E.4EODOW1根轨迹如图4所示+3器参数比较敏感+随着电压环比例系数的增大,低频极点向远离实轴和虚轴的方向移动氐频响应速度有所提高舸时系统阻尼比减小氏频响圆起用MOJR

15、OS-toK频极点向远离虚轴的方向移动底统的稳定裕度会有所增加）参数设计和算例分析OStt为验证本文所提控制策略的有效性以及建搠If1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0OO,5VGTCP?成下莅昼了由个IB同的双有源桥变换器模块并成而成的仿真模型+双有源桥变换器模块的参数分别为二输入侧直流/-n=iSIHVX/OVX/OV/n=43DV7=OnMOQKDM-10-9-8-7-6-5-4-3-2实部/10迎4Ki。日变化时I!机/支亿甘挡iMn=alO?r=piH*+救照）台双有源桥变换器并联系统中电流调节器参费和电压调节器参数变换时系统特征根分布变化趋势的分

16、析成代入上述参费后呵以选取系既的蜻节琴参费1a=0-000二了1.=占%=Ok=4SIT顼b与异与在EQDKDQDD应W变化的根轨迹如图5所示+-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10实部/IO?s、氏变化的的根M苴5O0一、案5O.O5.0-O1-从图3中可以看出扃频极点对电压调节器参数的变化相对不敏感顼低频极点对电压调图4近取参数后的系统特征根分布-6-5-4-3-2-10实部/IO420-22亳曜-根分布如图4所示+:IS真分折为验证小信号建模分析结果唐先设置）台SOOSOMIItOO&D罗O-主OVjifiMIfiSO参考IS在ONMt由。降为83DVJItOOMOOIITSTS勇

17、大到J=4QDD的titOOS?,从囹中可认育出JOOOO浙出电压3020rced电JOio阻尼增大/II上文的建模分析结果相符+(a)Kpv增大时输出电压响应波形(b)K*增大时输出电压响应波形用4F胃节赛身登变化R的腐枝=O&.OO真为验证设计参数的准确性以及控制算法的功率均衡效果成行台并联系统的输出电流控制以及低压直流母线电压控制稳态运行仿真实验+首先假设并联双有源析变换器两端均为有源,SOUOOSMOSIS&D-&。季ov卫feoiaoo&sa息电EMOQA顼。4=甘atooapda+uiag中电流波形如图8所示+从图8可以看出段换器输出电流能够实现对参考电流的无静差跟随并且在)台并联

18、双有源变换器能够很好地实现功率均衡+/变换器1输出电流-变换器2输出电流变换器3输出电流电流参考信号00.10.20.30.40.50.60.70.8z/s图8)台变粮器并联时的输出电流波形为验证低压直流母线电压控制算法的有效住决ffiEIOPD*的贝费需播丘直耦发电氏V*OE卷变为83DViE1fiOOgS形如图9所示从图9可以看出讲联系统输出电压能够实现对指令电压的稳态无静差跟随证明了控制算法和参数设计的正确性+4结论本文针对电力电子变压器中隔离级多双有源桥变换器并联运行时的低压直流母线电压控制以及模块电流均街控制的何题星出了采用低压直流母线电压外环和模块电流内环的双环控制结构+建立了完整的多双有源桥并联系统小信号模型