|
随着新能源发电、电气化轨道交通和大型数据中心的迅速发展，中压直流（MVDC）配电系统以其高效率、高电能质量和高稳定性的优势得到广泛关注。在中压直流系统中，DC-DC变换器，亦称直流变换器，是连接不同电压等级电网或将中压直流转换为低压直流（LVDC）为设备供电的关键角色，因此成为中压直流系统研究重点之一。通常单个功率器件可以满足低压变换领域电压和电流要求。然而，目前在中压应用中，器件、模块或变换器的串并联是不可避免的实现方式。早期中压直流到低压直流转换的解决方案是采用输入串联输出并联（ISOP）拓扑，由于其模块化结构和易于控制的优点，该结构已得到广泛使用。但是隔离式ISOP结构中有众多分立的高频变压器，在10kV中压下，每个变压器的一次侧和二次侧均需承受数十kV的绝缘耐压。此时，单个模块体积急剧增加，功率密度提升严重受限。该缺点限制了ISOP结构在更高电压、功率等级应用中的推广。近年来，模块化多电平变换器（MMC）结构凭借其模块化和灵活性高、易于拓展电压和功率等级的优势为中压变换提供了一种可行的解决方案。与ISOP众多分布式低功率变压器相比，集中式变压器具有绝缘设计简单、功率密度高和生产制造容易的优点。大量文献提出了适用于中高压直流变换的MMC DC拓扑结构，如双有源桥结构和谐振型结构。在MMC级联子模块中，由于可采用特性良好的低压功率器件，开关频率可达数kHz甚至更高，因此，电容、电感和变压器等无源元器件的体积将显著减小。此外，MMC DC拓扑子模块开关器件可以实现零电压开关，从而降低高频下开关损耗。在某些中压直流到低压直流供电场合，需要满足宽范围输入需求。例如，在海底观测网系统中，陆上中压直流电源通过单极海底电缆为百千km外的海底观测仪器供电。由于海底电缆的绝缘和制造成本限制，寄生电阻远大于陆地上的架空线。一般15kV等级海缆每1km寄生电阻约为1Ω。当供电电流为0～10A变化时，在500km的电缆上会有0～5kV的压降。因此，为大型海底观测网络设计具有宽电压增益范围的中压直流变换器可以延拓观测网范围，允许铺设更多的大功率仪器，对于长期、不间断的海洋探索具有重要意义。模块化多电平谐振变换器（MMRC）因具备模块化多电平拓扑和谐振电路的共同优点而在中压领域得到广泛研究，但在宽范围输入下的配用电场合，针对该拓扑的高效调控方法仍缺少相关深入探究。为此，浙江大学电气工程学院、浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院的盛景、陈聪、向鑫、李楚杉、李武华，在2022年第24期《电工技术学报》上撰文，提出一种适用于中压宽范围输入的模块化多电平谐振变换器多自由度调压控制方法。
研究人员首先介绍了模块化多电平谐振变换器的工作原理及其调制方式。其次对模块化多电平谐振变换器开关频率和调制比两个自由度的进行探讨，重点研究基于变调制比和调频控制的多自由度电压调控策略以适应宽范围输入。接着针对变调制比控制引发的电容电压纹波大的问题，提出了一种有监督的均压算法。他们指出，相比仅采用传统LLC调频调压策略，该方法的桥臂子模块数目可减少20%，变压器励磁电流降低60%，开关频率范围缩小为原来的1/4，从而大幅降低开关器件和变压器损耗。此外，优化设计的开关频率范围可避免桥臂电感和变压器的高电压应力。
他们的研究揭示了变调制比控制下子模块电容电压纹波大的问题，而监督式子模块均压算法的提出则避免了控制延迟引发的电容连续多个周期充电，电容电压纹波可降低61%，大幅降低电容容值选型。研究人员基于该优化控制策略，研制了8～16kV输入、375V 60kW输出的中压实验样机，一系列实验结果验证了该调控方法的可行性和高效性，实现了宽输入范围下40kW变换效率保持在96%以上。本文编自2022年第24期《电工技术学报》，论文标题为“模块化多电平谐振变换器多自由度调压控制及子模块电容均压方法”。本课题得到国家重点研发计划国际合作重点专项、国家自然科学基金和内蒙古自治区重大专项资助项目的支持。
|
