基于SiC器件的负荷虚拟同步机研究

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电网中典型的电动汽车、变频空调等可控负荷是通过电力电子接口和电网相连,如果能使电力电子接口模拟同步电机的机械惯性以及一次调频、调压等外特性,就能改善电网的频率和电压稳定性,这种技术被称为虚拟同步电动机(Virtual synchronous motor,VSM)技术,又叫做负荷虚拟同步机(Load virtual synchronous machine,LVSM)技术。变流器作为负荷和电网之间的连接纽带,除了需要控制策略的改进,其使用的功率器件材料也会直接影响到设备的运行效率和系统的功率损耗。新型功率器件材料中,碳化硅(Silicon carbide,SiC)材料以其优异的特性而备受关注。首先分析了SiC功率模块和硅(Silicon,Si)材料的绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IBGT)的静态特性和动态特性,建立了三相PWM整流器在空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation,SVPWM)方式下的整机损耗模型,搭建了SiC材料和Si材料的整流逆变背靠背模块并进行了整机效率测试。接着分析了三相PWM整流器的同步机制,为引入虚拟同步控制的可行性提供依据;设计了功率环,模拟了同步电动机的惯性、电磁特性和调压特性;将直流电压环的输出作为机械功率,连接有功控制环,控制直流电压稳定在指令值。对DC/DC接口低压侧功率进行控制,增加了功率指令对电网频率的响应能力,对电网提供有功支撑。在DC/AC接口的控制中也引入了虚拟惯量,同时根据电网电压的频率变化来调节输出电压频率,从而进行有功响应。针对电网电压不平衡的情况,在虚拟同步控制的基础上提出了改进控制策略,对电网不平衡电压进行正负序分离,原平衡控制策略结构不变,采用正序分量控制,同时增加了负序电流环,根据交流侧电流和直流电压两种控制目标的不同,设计了不同的负序电流指令。最后对直流负荷和交流负荷两种虚拟同步机进行了仿真,并搭建了一套SiC材料的整流逆变背靠背系统,在其直流母线上接入双向DC/DC变换器,测试了整套系统带直流负载和交流负载的运行性能以及其对电网异常状态下的响应能力,验证了本文控制方法的正确性。
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