2016年《電工技術學報》增刊2上撰文指出,在互補型新能源隔離變壓器供電系統中,采用多隔離變壓器輸入源變換器以及繞組開放式隔離變壓器供電機,能夠簡化系統結構、降低系統成本.
分析了多種結合隔離變壓器輸入源變換器隔離變壓器供電系統,并針對集成度、靈活性、能量調度等性能與直接并聯型的繞組開放式隔離變壓器供電系統進行比較,得出集成度最高、成本最低并滿足能量分配要求的繞組開放式三相隔離變壓器輸入源隔離變壓器供電系統.
研究了該結構的工作原理,并根據多個隔離變壓器輸入源的穩態關系式,提出一種能量管理策略,最后通過仿真和實驗驗證了理論分析的正確性和控制策略的有效性.
當今世界能源消耗大幅增長,以煤炭為原料的能源消費模式嚴重地影響了環境的健康發展.隨著電力電子設備和控制技術的發展以及市場需求的進一步提高,新能源隔離變壓器供電成為研究的熱點[1].
許多偏遠山區和一些小村莊仍存在用電困難和供電質量不高的問題,而這些地區往往擁有豐富的光照和風力資源.因此,因地制宜地利用可再生能源發展獨立運行的分布式微電網技術是一個有效的解決途徑[2].
目前的可再生能源隔離變壓器供電系統多采用模塊化結構,每種供電源通過一套可控變換器并聯在直流母線兩端,再通過直直變換和直交變換給不同的負載供電[3].這種結構靈活性強,容錯性能好,適用于不同特性的供電源和不同等級的負載.但是由于每個供電源均需要一套可控變換器和控制器,系統成本和體積較大[4].
為此,學者提出了多隔離變壓器輸入源直流變換器(Multiple-Input DC-DC Converter, MIC )的概念,即將多個直流變換器經過特定的組合方式融合為一個可以連接多個隔離變壓器輸入源的直流變換器[5,6],具有高集成度、高功率密度、高效率、低成本的優勢.
MIC結構研究的主要方向分為隔離型和非隔離型兩種.隔離型結構需要隔離變壓器,體積相對較大,成本較高[7].在沒有隔離需求的條件下,非隔離型的MIC在新能源隔離變壓器供電領域的研究十分廣泛[8,9].
基于最基礎的6種直直變換器,衍生出多種不同形式的MIC.文獻[10]以脈沖電壓源和脈沖電流源為基本單元,通過串并聯的方式系統地介紹了MIC的構造規則和原理.在新能源隔離變壓器供電和電動汽車應用領域,雙Buck變換器、Buck-Boost變換器以及雙Boost變換器都是研究熱點[11,12].
針對隔離變壓器輸入Buck變換器的輸出特性和工作原理研究,實現了兩個不同特性的功率源向單個負載穩定供電.三端口變換器(Three-PortConverter, TPC)同樣是采用了類似的集成思想,通過一個變換器同時實現隔離變壓器輸入源、儲能裝置和負載的功率管理和控制,有效提高了系統集成度和可靠性,降低了成本和體積[13].但目前多隔離變壓器輸入源變換器研究均集中于直流隔離變壓器輸入源,對交流隔離變壓器輸入源的研究比較少見.
韓國學者Seung-Ki Sul首次提出將繞組開放式電機(open-windinggenerator)應用于分布式隔離變壓器供電系統[14],減少了一套全控型功率變換器,但隔離變壓器供電機直接并網限制了電機轉速.在永磁電機啟動/隔離變壓器供電應用領域.文獻[15]將繞組開放式電機后級接不控整流器,建立獨立的隔離變壓器供電系統,并通過矢量控制實現了供電穩定,但電機前級接入的儲能裝置由于受負載和電機功率的影響,存在過充過放的風險,影響系統的使用壽命.
為此,學者提出了用混合勵磁電機代替永磁同步電機[16],利用其調磁性能來解決儲能裝置功率控制問題.在不增加系統成本的條件下,加入無功電流,弱磁調節電機輸出功率,滿足儲能元件控制和系統能量守恒.
本文在傳統三相隔離變壓器輸入源繞組開放式隔離變壓器供電結構基礎上,以提高系統集成度和成本為目標,結合MIC的構造思想和繞組開放式電機自身固有特性,研究了多種新型的三相隔離變壓器輸入源繞組開放式隔離變壓器供電系統結構.
對比分析了各結構集成度、解耦性和電能傳輸的優劣性,從中選擇出既能滿足功率分配要求,且集成度最高,成本最低的拓撲,利用功率平衡方程,推出系統功率的控制策略,并通過仿真分析和實驗驗證了該拓撲結構的可行性.
新型三相隔離變壓器輸入源繞組開放式隔離變壓器供電系統圖5 新型三相隔離變壓器輸入源繞組開放式隔離變壓器供電系統繞組開放式三相隔離變壓器輸入源隔離變壓器供電系統控制框圖結論1)基于多隔離變壓器輸入變換器的構造思想,引入繞組開放式隔離變壓器供電機結構用于新能源隔離變壓器供電系統能夠有效的減小系統的元器件數量,降低了成本,提高了集成度,但相比于直接并聯型結構,靈活性不足,局限于單向能量輸送,無法在低成本的條件下實現能量的反向存儲.
2)由于繞組開放式隔離變壓器供電機的固有特性,直接并聯型結構在省去一整套功率變換器的條件下,仍能實現系統能量的可控調節.進一步提高了系統可靠性和集成度.
3)通過仿真分析和實驗驗證,證明該三相隔離變壓器輸入源隔離變壓器供電系統結構以及控制算法的可行性和有效性.本文提出的直接并聯型的繞組開放式三相隔離變壓器輸入源隔離變壓器供電系統在結構成本和控制成本上均優于傳統的三相隔離變壓器輸入源隔離變壓器供電系統.
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