Design and Development of a High-Frequency Multiport Solid-State Transformer With Decoupled Control Scheme
Design and Development of a High-Frequency Multiport Solid-State Transformer With Decoupled Control Scheme
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具有解耦控制方案的高频多端口固态变压器的设计与开发
DOI：
10.1109/tia.2019.2939741
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发表时间：
2019
影响因子：
4.4
通讯作者：
Nasiri, Adel
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Rashidi, Mohammad;Altin, Necmi N.;Ozdemir, Saban S.;Bani-Ahmed, Abedalsalam;Nasiri, Adel
在这篇文章中，四端口固态Transformer和控制方案，以控制功率流和输出电压进行了研究，开发和测试。该变换器由三个端口与H桥变换器和一个端口与二极管桥式整流器组成。具有H桥转换器的端口能够在电压/无功控制方案中进行双向功率路由以及无功功率贡献。二极管桥式整流器为负载连接提供直流电压。对四个Transformer绕组的不同布置进行分析、仿真和比较，以实现最优设计。一种新的控制策略，它使用相移和占空比控制相结合，被用来控制转换器分支之间的功率流，并调节输出电压。虽然相移控制基于参考值确保每个端口上的功率平衡，但是占空比控制将负载电压保持在期望的电压电平。一个高层次的控制方案是根据负载需求，分布式发电系统的发电容量，和充电的能量存储的状态来确定所有端口的功率参考。仿真和实验分析验证了该系统的性能。设计并建造了一个原型，每个端口的额定功率为10 kW。该系统的工作频率设计在100 kHz，以获得一个非常紧凑的尺寸为整个转换器。
In this article, a four-port solid-state transformer and a control scheme to control the power flow and output voltage are studied, developed, and tested. The converter consists of three ports with H-bridge converters and one port with a diode bridge rectifier. The ports with H-bridge converters are capable of bidirectional power routing as well as reactive power contribution in a volt/Var control scenario. The diode bridge rectifier provides a dc voltage for load connection. Different arrangements for the four transformer windings are analyzed, simulated, and compared to achieve an optimal design. A new control strategy, which uses a combination of phase-shift and duty cycle control, is employed to control the flow of power between the converter branches and to regulate the output voltage. While phase-shift control ensures the balance of power on each port based on a reference value, the duty cycle control keeps the load voltage at a desired voltage level. A high-level control scheme is employed to determine the power references for all ports according to the load demand, generation capacity of the distributed generation system, and state of charge of the energy storage. The performance of the proposed system is validated with simulation and experimental analysis. A prototype is designed and built with 10-kW power rating at each port. The operating frequency of the system is designed at 100 kHz to obtain a very compact size for the whole converter.
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H. O. Jimenez