共高频母线多端口电力电子变压器启动及预充电控制策略_文武松.pdf

第2卷 第1期V o l.2 N o.1 2 0 2 3年2月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A F e b.2 0 2 3共高频母线多端口电力电子变压器启动及预充电控制策略文武松1,王 璐2,金丽萍1,杨贵恒1,申新楼3,张颖超1(1.陆军工程大学 通信士官学校,重庆 4 0 0 0 3 5;2.重庆第二师范学院 数学与信息工程学院,重庆 4 0 0 0 6 5;3.6 6 0 7 2部队,北京 1 0 0 1 4 4)摘要:共高频母线电力电子变压器(h i g h-f r e q u e n c y-b u s-b a s e d p o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r,H F B-P E T)的内部电磁耦合关系复杂、各端口工作模式灵活多样,必须采用性能优越、适应性强的控制策略确保其功能单元有序上电和正常启动。现有启动策略一般针对共直流母线P E T而设计,对其预充电过程缺少数学建模,在实际应用中面临不确定性且很难直接推广应用于多端口H F B-P E T。在不改变H F B-P E T主电路拓扑的前提下,通过设置启动优先级和“主电源”端口的方式设计了一套分步启动流程,适用于H F B-P E T的任意工况。另外,还设计了一种基于占空比递增的预充电策略,并对初始占空比和占空比增量进行了数学描述,为预充电控制的实施提供了理论支撑。最后通过仿真和实验验证了所提启动及预充电策略的有效性。所提控制方法无需新增额外设备且不影响H F B-P E T的稳态特性,具备无浪涌电流、工况适应性强等优势。关键词:电力电子变压器;高频母线;启动策略;占空比递增 中图分类号:TM 7 2 1D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 1 2 2 0 0 1S t a r t-U p a n d P r e-c h a r g i n g C o n t r o l S t r a t e g y f o rM u l t i-p o r t H i g h-F r e q u e n c y-B u s-B a s e d P o w e r E l e c t r o n i c T r a n s f o r m e r WE N Wu s o n g1,WANG L u2,J I N L i p i n g1,YANG G u i h e n g1,S HE N X i n l o u3,Z HANG Y i n g c h a o1(1.C o mm u n i c a t i o n s N C O A c a d e m y,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 5,C h i n a;2.S c h o o l o f M a t h e m a t i c s a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f E d u c a t i o n,C h o n g q i n g 4 0 0 0 6 5,C h i n a;3.U n i t 6 6 0 7 2 o f P L A,B e i j i n g 1 0 0 1 4 4,C h i n a)A b s t r a c t:F o r a h i g h-f r e q u e n c y-b u s-b a s e d p o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r(H F B-P E T),t h e e l e c t r o m a g-n e t i c c o u p l i n g r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i t s i n t e r n a l m o d u l e s i s v e r y c o m p l e x,a n d t h e w o r k i n g m o d e o f e a c h p o r t o f t e n n e e d s t o b e f l e x i b l y c h a n g e d a c c o r d i n g t o t h e e x t e r n a l l y c o n n e c t e d p o w e r s u p p l y o r l o a d.T h e r e-f o r e,a c o n t r o l s t r a t e g y w i t h s u p e r i o r p e r f o r m a n c e a n d s t r o n g a d a p t a b i l i t y m u s t b e a d o p t e d t o e n s u r e t h e o r d e r l y p o w e r-o n a n d n o r m a l s t a r t-u p o f i t s f u n c t i o n a l u n i t s.E x i s t i n g s t a r t-u p s t r a t e g i e s a r e g e n e r a l l y d e-s i g n e d f o r d i r e c t-c u r r e n t-b u s-b a s e d P E T,w h i c h l a c k s t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l i n g f o r p r e-c h a r g i n g p r o c e s s,u s u a l l y f a c e s u n c e r t a i n t y i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s,a n d i s a l s o d i f f i c u l t t o b e d i r e c t l y a p p l i e d t o m u l t i-p o r t H F B-P E T.W i t h o u t c h a n g i n g t h e t o p o l o g y o f t h e m a i n p o w e r-c i r c u i t o f H F B-P E T,t h i s p a p e r d e s i g n s a s t e p-b y-s t e p s t a r t-u p p r o c e s s b y s e t t i n g t h e s t a r t-u p p r i o r i t i e s a n d t h e m a i n p o w e r p o r t s o a s t o a d a p t i t-收稿日期:2 0 2 2-0 1-2 2基金项目:重庆市自然科学基金面上项目(C S T B 2 0 2 2 N S C Q-M S X 1 3 9 6);军内科研项目(KY C Q J Q Z L 2 1 1 9)。第一作者:文武松,博士,讲师,主要研究大容量电力电子变换系统、电力电子变压器设计与控制,w e n w u s o n g 1 6 3.c o m。通信作者:张颖超,博士,教授,主要研究军事电源、电力电子与电力传动,z h a n g y i n g c h a o t s i n g h u a.o r g.c n。s e l f t o a n y o p e r a t i n g c o n d i t i o n o f H F B-P E T.I n a d d i t i o n,a p r e-c h a r g i n g s t r a t e g y b a s e d o n g r a d u a l l y i n-c r e a s i n g d u t y-c y c l e i s d e s i g n e d,a n d t h e i n i t i a l d u t y-c y c l e a n d t h e d u t y-c y c l e i n c r e m e n t a r e m a t h e m a t i c a l l y d e s c r i b e d t o p r o v i d e t h e o r e t i c a l s u p p o r t f o r t h e i m p l e m e n t a t i o n o f p r e-c h a r g i n g c o n t r o l.F i n a l l y,t h e e f f e c-t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d s t a r t-u p a n d p r e-c h a r g i n g s t r a t e g y a r e v e r i f i e d b y t h e s i m u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t s.W i t h t h e a d v a n t a g e s o f n o s u r g e c u r r e n t a n d s t r o n g a d a p t a b i l i t y t o o p e r a t i n g c o n d i t i o n s,t h e c o n t r o l s t r a t e g y p r o p o s e d i n t h i s p a p e r d o e s n o t r e q u i r e a d d i t i o n a l e q u i p m e n t a n d w i l l n o t a f f e c t t h e s t e a d y-s t a t e c h a r a c t e r i s t i c s o f H F B-P E T.K e y w o r d s:p o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r(P E T);h i g h-f r e q u e n c y-b u s;s t a r t-u p s t r a t e g y;d u t y-c y c l e i n c r e m e n t 电力电子变压器(p o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o r m-e r,P E T),又称电能路由器1,作为交直流混联配用电网的核心部件,正受到研究人员的广泛关注,并逐步走向工程示范运用2-4。此外,作为一种柔性功率变换系统,其在一些新兴军事供电保障领域也具有广阔的应用前景,如军用数据中心、战场机动微电网、车载综合能量转换系统等,可为未来战场供电保障实现“安全、高效、可持续”的目标发挥关键作用。现有多端口P E T的典型拓扑可分为两类。一类是基于直流母线的P E T5-7,所有端口都通过直流母线互连,双有源桥或隔离谐振D C/D C变换器用于电气隔离和双向功率传输。其次,为了减少高频变压器(h i g h-f r e q u e