模块化多电平直流变压器的傅里叶级数建模与控制器设计

2021-01-12吴兴宇闵富红王国宁王志刚

南京师范大学学报(工程技术版) 2020年4期

吴兴宇,闵富红,王国宁,王志刚,侯凯

(1.南京师范大学南瑞电气与自动化学院,江苏南京 210023) (2.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏南京 211106)

随着分布式能源和直流负荷的快速发展,直流配电系统受到越来越多的关注[1]. 在中压直流配电系统中,直流变压器(DC transformer,DCT)是实现中压直流母线和低压直流母线之间电压转换和电气隔离的核心部件[2-3].

双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器结构在低压、小容量领域有着十分广泛的应用[4-8]. 为了适应直流配电网电压等级,提高DCT的电压和容量等级,实现中低压直流母线之间的互联,模块化多电平直流变压器(modular multilevel DC transformer,MDCT)尤其受到关注[9]. 模块化多电平结构采用若干个子模块级联,减小了功率半导体器件的电压应力,便于冗余化设计. 文献[10-16]分析了模块化多电平直流变压器的工作原理、移相调制策略、软开关特性和功率损耗等电路特性. 文献[17-18]采用瞬时功率积分进行功率分析,但是这种分析方法计算量大、过程复杂.

对此,本文从傅里叶级数分析入手,分析MDCT的工作原理,推导出有功功率傅里叶级数求和表达式,并分析其有功功率与功率移相角和电压平衡角的关系. 基于傅里叶级数求和建立MDCT的数学模型,设计了稳定输出电压的PI控制器,仿真验证了控制策略的有效性.