随着可再生能源的大量接入以及交、直流负荷的供电需求,交流微网难以满足供电可靠性、系统稳定性和多样适应性的要求。交直流混合微电网作为消纳多种形式的分布式可再生能源和负荷的主要电网结构,充分发挥交流微网和直流微网的优势,使二者相互支持和备用,具有高适应性、多样化和高供电可靠性的特点。交直流混合变换器作为交直流混合微网中,不同电压等级的直流微网间以及直流微网和交流微网之间的联系桥梁,发挥着能量传输和转换以及电压变换和支撑的重要作用。因此,交直流混合变换器多端口的特性,也将成为重要的特征量,是交直流混合微网中供电质量、长期运行可靠性和变换器自身以及交互系统稳定性的外在表现、衡量标准和重要支柱。本文以交直流混合变换器模块化建模和端口特性作为着眼点,按子模块建模方法、端口特性整合到多模块化的交互系统稳定性的研究思路,围绕DC/DC级和DC/AC级双向变换器的模块化建模、端口特性表现和子模块聚合以及系统小信号稳定性分析等方面进行全面深入的研究:1、提出了DC/DC级双向变换器——DAB变换器的输入小信号阻抗建模和有源重塑方法。针对在DAB变换器输入端口的拓展应用,如输入LC滤波器级联和输入串联输出并联的拓扑联结方式中,DAB变换器输入端口动态响应差、稳态振荡大和电压不均衡等问题,建立了考虑所有控制器的动态效应的DAB变换器的全阶输入阻抗模型;在输入电压的视角下,对输入LC滤波器的级联应用场景和输入串联输出并联的应用场景下的DAB变换器系统进行稳定性分析和动稳态特性分析;在此基础上,提出了基于三闭环控制的DAB变换器输入阻抗重塑的控制思路、方法和设计流程,并取得稳定的输入端口和输出端口特性,以及快速且小过冲的端口动态响应,进一步提升交直流混合变换器直流侧多级电压变换的稳定性、适用性和可靠性。2、讨论了开关管开路故障下,DAB变换器在高频链端口视角下的工作特点和对称性容错方式。针对DAB变换器故障模态分析问题,本文考虑开关管和高频变压器上的寄生参数以及高频变压器的电磁感应原理,完善了DAB变换器的故障模态分析体系;并基于拓扑的对称性,拓展分析不同开关管发生开路故障时的高频电流和高频电压的响应特征;根据拓扑的对称性和对偶变换原理,本文提出了实现故障容错的拓扑变换思路以及控制和调制方案,有利于故障容错的实现和DAB变换器的拓扑改进。可进一步提升DC/DC级双向变换器的拓扑功能,使DC/DC级双向变换器适用于更广泛的直流应用场景和面对更复杂的故障问题。3、本文针对DC/AC级双向变换器LCL滤波器固有的谐振问题,提出了基于逆变侧电流和并网电流反馈的有源阻尼电流控制方案。本文首先建立了考虑时滞效应和不考虑时滞效应的DC/AC级双向变换器数学模型;根据所提出的双电流闭环方案,提出了不同频段的等效数学模型;基于以上的模型和控制方案,本文提出了考虑多种约束条件(劳斯判据、稳定性裕度、输出功率因数、有源阻尼特性和THD等)下的系统化参数设计流程,使DC/AC级双向变换器取得较好的谐振抑制效果、较大的稳定性裕度、较好的并网电流和逆变侧电流特性和弱电网抗干扰能力;并使交直流混合变换器取得稳定而优质的工作特性,支持交直流混合微电网的功率转换和用户供电质量。4、针对不同控制方案下的交直流混合变换器DC/AC级变换器和交流侧电力电子负荷在电压故障下的不确定性表现,本文提出了ab坐标系下,交直流混合变换器DC/AC级变换器的小信号输出阻抗模型和交流侧电力电子负荷的小信号输入阻抗模型的建模方法。本文分别考虑了在并网工作模式和下垂控制模式下的DC/AC级双向变换器小信号输出阻抗模型,综合考虑了稳态工作点的幅值和瞬时角度对以上两种模式下的DC/AC级双向变换器和电力电子负荷的影响,降低了大信号稳态工作点仅考虑振幅干扰时交直流混合微网的系统稳定性分析的不确定性。通过模块化的建模,本文进一步整合模型,并提出了在ab坐标系下的IBM系统小信号阻抗模型;通过广义Nyquist判据对交直流混合变换器得交流侧交互系统——IBM系统——进行稳定性分析;通过电压暂降实验中不同电压跌落深度和电压暂降起始角的组合实验,对上述建模和分析方法进行可行性和有效性的验证。该建模和分析方法可进一步应用于其它电网故障情况,以及交直流混合变换器控制器的设计,有利于交直流混合微网实现精确的稳定性分析和提高运行稳定性。
