关键词：
固态变压器
级联变换器
T型变换器
Vienna整流器
容错策略
辅助电源
摘要：
固态变压器是智能配电网、数据中心、快速充电站、电气化铁路和电动船舶等领域的电能变换核心装备,是“双碳”目标下新型能源体系建设的重要载体。基于三电平单元级联前级的固态变压器拓扑架构具有功率模块少、功率密度高等优势,是固态变压器的优选方案。然而,固态变压器的中压侧不经变压器与电网直连,因而直面中压电网的复杂扰动;同时其开关器件数量众多,器件故障发生概率高,严重威胁系统可靠运行。针对固态变压器中压侧的子模块器件故障,现有故障处理技术直接切除故障模块,但由于三电平单元单胞容量大,直接切除故障模块将导致明显的系统容量损失,易引发装备失稳、故障越界等连锁问题。利用故障模块中正常器件使其容错运行能有效避免系统容量损失,但目前固态变换器尚未开展基于该方案的容错技术研究。此外,针对不同的固态变压器应用场合,子模块结构选型有所差异,这影响了容错运行时调控自由度,导致容错策略难以直接迁移,亟待基于三电平单元级联型固态变压器特殊的拓扑结构、故障特征展开容错运行策略研究。本文针对上述挑战性难题,面向多种三电平单元级联前级的固态变压器拓扑,挖掘故障模块重构、控制、调制等自由度,建立了三电平单元级联型固态变压器中压侧子模块故障的容错运行机制。首先,面向具有能量双向流动需求的系统,基于高调控自由度的全控型三电平单元级联型固态变压器开展了容错策略研究。通过遍历开关状态组合,揭示三电平单元H桥子模块内部器件故障模式的一般性规律,总结出不同故障类型下全控型子模块的共性故障结果。接着,基于变换器自身冗余特性,提出一种故障模块、故障相与非故障相协同工作的容错运行策略。该策略通过故障模块重构避免直接切除故障模块导致的系统容量损失;通过相内的协同控制实现电容电压的均衡;通过相间的协同运行实现线电压平衡。以T型单元级联前级的固态变压器为例,仿真和实验证明所提容错策略有效的利用装备自身冗余特性,提升了装备的容错运行能力。进一步,针对低成本需求的能量单向流动系统,基于低调控自由度的Vienna单元级联型固态变压器开展了多子模块故障的容错研究。面向Vienna单元电压电流控制自由度受限、容错运行难度高的问题。本文分析了Vienna单元的故障特性,基于此提出故障模块重构规则,进一步推导出故障模块电容电压平衡条件。接着,提出了一种Vienna单元级联型固态变压器的多层级容错运行策略,该策略通过改进的零序电压注入方法实现线电压平衡;通过隔离级电路的功率控制实现故障模块电容电压的平衡控制;通过基于排序算法的改进容错调制策略实现了故障模块重构,解决了参考电压与输出电压不匹配带来的电流扰动问题。实验证明,所提容错策略可使Vienna单元级联型固态变压器容错运行,有效提高了系统的可靠性。再进一步,针对Vienna单元电压电流必须同向带来的容错运行限制,提出基于三电平单元的混合级联型固态变压器拓扑结构。前级采用Vienna子模块和T型子模块混合级联,增加了系统调控自由度,使变换器具备一定的电压电流反向运行能力,从而实现变换器可靠性的显著提升。所提拓扑可兼容单位功率因数和非单位功率因数工况。基于功率因数进行故障模块重构及其电容电压平衡机理分析,结合容错控制、容错调制和后级协同功率控制,建立了固态变压器中压侧子模块故障的容错运行机制,实现三电平单元的混合级联型固态变压器的容错运行,避免了系统的容量损失。基于非单位功率因数工况验证了所提容错机制的有效性。此外,所提拓扑和容错运行机制有效解决了Vienna单元带来的功率因数限制,从而显著提升容错运行时的并网电能质量。最后,针对三电平单元H桥子模块直流电压高、控制器自取电难带来的可靠运行问题,提出一种buck-boost型高降压变换器作为固态变压器的中压侧辅助电源。所提高降压变换器采用buck-boost型子模块级联的模块化设计,具有模块化程度高、结构简单、成本低的优势。针对该电路设计了一种基于Bang-Bang控制的子模块控制策略,子模块间无需通信和同步可实现其内电容电压平衡,大大简化辅电模块的电压控制。通过增加子模块的数量,所提高降压变换器可拓展至中、高压应用场合,为中压系统的辅电设计提供新方案。本文以三电平单元级联型固态变压器为研究对象,针对不同应用场合下特定系统需求,探索不同调控自由度下固态变压器中压侧子模块故障的容错运行策略。面向不同三电平级联单元结构的固态变压器,基于子模块特性和运行工况设计故障模块重构方案,并结合控制、调制等自由度,建立了固态变压器中压侧子模块故障的容错运行机制,保证固态变压器在容错运行下等额运行能力,实现固态变压器在系统效率、经济性和可靠性等方面的有效提升。
