Individuelle DC-Spannungsausgleichssteuerung für Kaskadierte H-Brücken-Elektronische Leistungstransformatoren mit Getrennter DC-Verbindungstopologie

     In diesem Artikel wird eine umfassende individuelle Gleichspannungsbilanzstrategie (einschließlich Hoch- und Niederspannungs-Gleichspannung) für den elektronischen Leistungstransformator mit getrennter Gleichspannungstopologie vorgeschlagen. Die Strategie regelt die aktiven Leistungen, die durch die Isolier- und Ausgangsstufen in verschiedenen Leistungsmodulen fließen, um die Fähigkeit zur Gleichspannungsbilanzierung zu verbessern. Durch die Strategie können die Hoch- und Niederspannungs-Gleichspannungen gut ausbalanciert werden, wenn Ungleichgewichte zwischen den verschiedenen Leistungsmodulen auftreten (z.B. Komponentenparameter-Mismatch oder einige der Hoch- oder/und Niederspannungs-Gleichspannungen sind mit erneuerbaren Energien oder/und Gleichstromlasten verbunden). Die vorgeschlagene Strategie wird analysiert und durch experimentelle Validierung unterstützt.

1.Einleitung.

    Der elektronische Leistungstransformator (EPT), auch als solid-state-transformator (SST) oder power electronic transformer (PET) bezeichnet, gilt als Schlüsselkomponente für das zukünftige Stromnetz. Er verfügt über viele fortschrittliche Eigenschaften, wie die Integration erneuerbarer Energien, die Verbindung des Hauptstromnetzes und AC/DC-Mikrogrids, die Regelung der Ausgangsspannung, die Unterdrückung von Harmonischen, die Blindleistungskompensation und die Fehlerisolierung.

Für den dreistufigen EPT in Anwendungen mit hoher Spannung und hoher Leistung gibt es mehrere vielversprechende Topologien, die untersucht wurden, wie der kaskadierte H-Brücken-EPT, der modulare Mehrstufenwandler (MMC) EPT und der Klemm-Mehrstufen-EPT. Im Jahr 2012 wurde ein 15-kV 1,2-MVA-Einphasen-Kaskaden-H-Brücken-EPT auf einem Lokomotiv installiert, um durch die Ersetzung des linearen Leistungstransformators bei 16,67 Hz das Volumen zu reduzieren und die Effizienz zu steigern. Im Jahr 2015 wurde ein 10-kV/400-V 500-kVA-Dreiphasen-Kaskaden-H-Brücken-EPT in ein Verteilungsstromnetz installiert, um eine hochwertige Stromversorgung bereitzustellen.

2.EPT mit getrennter Gleichspannungstopologie.

    Abbildung zeigt den Hauptkreis des dreiphasigen EPT mit der getrennten Gleichspannungstopologie, wie sie dargestellt wurde. Es handelt sich um eine dreistufige Eingangsserie-Ausgangsparallel-Konfiguration mit      n     PMs pro Phase. Die drei Stufen sind die Eingangsstufe, die Isolierstufe und die Ausgangsstufe. In Abbildung gibt es zwei Wechselstromports und sechs Gleichstromports. Für PM 1 in jeder Phase gibt es einen Hochspannungs-Gleichstromport und einen Niederspannungs-Gleichstromport, um erneuerbare Energien und Gleichstromlasten mit unterschiedlichen Spannungen zu verbinden.

3.Die vorgeschlagene umfassende individuelle Gleichspannungsbilanzstrategie.

    Wenn erneuerbare Energien und Gleichstromlasten an die Gleichstromports des EPT (z.B. Gleichstromports A_H und A_L, wie in Abbildung 1) angeschlossen sind oder Komponentenparameter-Mismatch auftreten, wird es Leistungsungleichheiten zwischen den verschiedenen PMs geben. Wenn die Leistungsungleichheit die Anpassungsfähigkeit des Gleichspannungsbilanzreglers überschreitet, werden die Gleichspannungen ungleich sein. In diesem Abschnitt wird das Szenario mit erneuerbaren Energien und Gleichstromlasten als Beispiel analysiert. 

4.Realisierung der vorgeschlagenen umfassenden individuellen Gleichspannungsbilanzstrategie.

    Die vorgeschlagene Strategie besteht aus zwei Teilen: einer individuellen Hochspannungs-Gleichspannungsbilanzstrategie in der Isolierstufe und einer individuellen Niederspannungs-Gleichspannungsbilanzstrategie in der Ausgangsstufe.

5.Fazit.

     In diesem Artikel wurde eine umfassende individuelle Gleichspannungsbilanzstrategie für den EPT mit der getrennten Gleichspannungstopologie vorgeschlagen. Die Gleichspannungsbilanzfähigkeiten der drei umfassenden individuellen Gleichspannungsbilanzstrategien wurden analysiert und bewertet. Die Bewertungsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Strategie die stärkste Gleichspannungsbilanzfähigkeit hat. Diese Schlussfolgerung wird durch experimentelle Verifizierung gestützt. Die experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass die individuellen Hoch- und Niederspannungs-Gleichspannungen mit der vorgeschlagenen Strategie gut ausgeglichen werden können, wenn es zu schwerwiegenden Komponentenparameter-Mismatches kommt oder ein großer Anteil der Gesamtenergie als Gleichstromleistung vorliegt. Tatsächlich können mit der vorgeschlagenen Strategie die individuellen Hoch- und Niederspannungs-Gleichspannungen unter stark ungleichen Bedingungen ausgeglichen werden, solange die durch die PM fließenden Leistungen innerhalb der maximal erlaubten Leistung liegen.

Quelle: IEEE Xplore.

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