用于直流电网的大容量DC/DC变换器研究综述

发展高压直流电网是解决电能大容量远距离传输及大规模可再生能源汇集的有效手段,高压大容量DC/DC变换器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备,也是制约直流电网推广的主要技术瓶颈之一。然而已发表的研究工作主要集中于DC/DC变换器在中低压小功率应用,其在高压大容量场合的应用研究较少。为此,首先分析了高压直流电网对大容量DC/DC变换器的技术需求,然后系统回顾了高压大容量高增益DC/DC变换器拓扑的国内外研究现状,并总结了各类DC/DC变换器的特点及其在未来高压直流电网中的应用前景。在此基础上指出了高压直流电网用的大容量DC/DC变换器亟待研究的关键问题。所述内容为未来高压直流电网技术的研究和工程化应用提供了一定的技术参考。     

新型混合式高压直流输电DC/DC变换器

针对高压直流电网中现有DC/DC变换器拓扑在成本、效率方面的不足,提出了一种基于模块串联技术以及晶闸管、二极管串联技术的混合式DC/DC变换器拓扑,以实现高压直流电网中不同电压等级的互联。对该拓扑结构的工作原理、控制策略、元器件参数设计、经济性等方面进行了全面的分析论证。最后,在MATLAB中进行了仿真,验证了所提DC/DC变换器的可行性。     

集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器

高压大容量DC/DC变换器是直流电网中电压变换的关键设备。提出一种集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器,利用变换器自身控制实现直流侧短路故障阻断功能,具有轻量化、低成本、高效率的优势。首先,分析该变换器的拓扑结构、工作原理,推导子模块、晶闸管、二极管等器件的参数设计依据;然后,提出闭锁子模块和晶闸管阻断故障电流的机制,设计适应于该变换器的控制方案;其次,分别针对正常工况与故障工况进行了仿真与实验验证,结果表明该变换器拓扑结构及控制策略的有效性;最后,通过与其他典型的集成直流断路器功能的DC/DC拓扑进行对比分析,评估所提变换器的技术经济性。     

可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段,近些年获得了快速发展。DC/DC变换器作为直流电网中电压变换和隔离直流侧故障的关键设备也日益受到关注。提出了一种适用于直流电网的可隔离直流故障的新型DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,同时提出了其故障隔离策略。对比该拓扑与半桥式DC/DC变换器的技术性和经济性差异发现,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,提出的DC/DC变换器方案不仅可以更快地切除故障线路,还减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。在PSCAD/EMTDC中,针对两个直流电网的典型场景,进行了直流双极短路故障仿真。仿真结果表明,所提出的拓扑具备直流故障穿越能力,非常适用于大规模直流电网系统。     

集成故障阻断能力的DC/DC自耦变换器

高压大容量DC/DC变换器是多电压等级直流互联的关键设备，能够实现电压变换和直流侧故障隔离等功能。使DC/DC变换器具备直流故障阻断能力，减少对直流断路器的依赖，能够在很大程度上降低建设成本。为此，提出一种基于半桥型模块化多电平换流器串联的DC/DC自耦变换器拓扑。在功率正送和功率反送两种工况下，分析DC/DC变换器两侧分别发生直流双极短路故障后的故障响应，并提出对应的故障隔离策略。针对不同工况下的双极短路故障，在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真。仿真结果表明所提出变换器具备双向阻断直流故障的能力，与其他类型的DC/DC自耦变换器的对比分析结果验证了所提出变换器的经济性。     

面对面式DC/DC互联LCC-HVDC的潮流控制

结合中国高压直流输电现状和直流电网技术的发展,提出了利用面对面式DC/DC变换器互联不同电压等级的基于电网换相换流器(LCC)的高压直流(LCC-HVDC)系统的方案,总结了互联系统的优势并提出了一种依赖通信的适用于互联系统的控制器。基于两条实际LCC-HVDC线路背景,在PSCAD/EMTDC中搭建了利用±500 kV/±800 kV,1 000 MW面对面式DC/DC互联一条±500 kV,3 000 MW线路和一条±800 kV,7 200 MW线路的仿真模型。仿真结果说明,常规LCC控制不适用于互联系统,且验证了提出的控制器的有效性。所述控制器可在对原有LCC换流站控制改动最小的前提下实现互联系统的稳定运行。     

具备故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器

高压大容量DC/DC变换器作为未来直流电网中的关键设备,近年来成了国内外关注的热点。文中通过将晶闸管和半桥子模块进行有机组合,提出了一种混合式DC/DC变换器拓扑,通过闭锁子模块和晶闸管实现高低压侧短路故障阻断功能,且具有成本低、效率高的优点。对该拓扑结构的工作原理、故障保护机制、控制策略、参数设计和经济性等方面进行了分析论证。最后,搭建了MATLAB/Simulink仿真模型,仿真结果验证了该拓扑和控制策略的可行性。     

MMC-HVDC输电网用高压DC/DC变换器隔离需求探讨

高压DC/DC变换器是构建直流电网的关键装备之一,其技术需求分析是其电气拓扑设计和系统应用研究的前提。文中着重围绕基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电网用高压DC/DC变换器电气隔离功能的选择和故障隔离要求等问题展开探讨。从DC/DC变换器故障特性、系统绝缘造价和可靠性角度分析了不同接地方式的直流系统中DC/DC变换器的电气隔离需求,分析结果表明:对称单极系统中DC/DC变换器宜具备电气隔离功能,而双极系统宜采用非电气隔离拓扑。此外,从DC/DC变换器外部故障和内部故障两个角度对DC/DC变换器的故障隔离需求进行了研究。最后,通过仿真验证了隔离需求分析的正确性。     

采用混合子模块的四端口模块化多电平DC/DC变换器

随着电网中可再生能源的大规模接入以及高压直流输电技术的发展,高压大容量DC/DC变换器成为不同电压等级直流电网互联的关键。为解决多端高压直流电网互联的问题,本文以四端直流电网互联为例,研究了四端口模块化多电平DC/DC变换器。针对常规半桥子模块不能实现直流侧短路故障阻断的问题,本文提出交叉连接双半桥子模块与三电平双半桥子模块混合的模块化多电平DC-DC变换器方案,该方案能有效阻断直流故障,且具有较好的经济性。进一步地,给出了采用混合子模块方案的简化模型,用于子模块数量众多时变换器在正常工况以及故障工况下的仿真。最后,通过Matlab/Simulink对所提出的混合子模块四端口模块化多电平DC/DC变换器进行了仿真验证,证实了所提方案的可行性以及简化模型的正确性。     

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modular multilevel DC/DC converter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。     

直流双极闭锁故障下送端系统暂态过电压计算方法

针对特高压直流输电系统闭锁引起的暂态过电压严重威胁系统安全运行的问题,推导建立了直流双极闭锁后换流母线暂态电压的解析表达式。在此基础上,建立了送端交流系统电力网络等值模型,推导出了直流双极闭锁后送端交流系统内任一关键节点暂态过电压的计算方法。为判断送端新能源节点面临高压穿越问题的严重程度、提前发现系统薄弱环节,提出用阻抗比来表征节点的暂态过电压程度。在直流双极闭锁后节点暂态电压压升值随着阻抗比增大而呈现线性升高的趋势。基于DIgSILENT仿真平台,搭建了CIGRE直流输电标准测试系统和吉泉±1100 kV高压直流送端系统,验证了送端系统暂态过电压计算方法及结论的正确性。     

基于桥臂电压控制的MMC直流短路主动限流方法

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统直流短路后电流上升迅速且伴随大量的能量释放,为限制其故障电流,提出一种基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法。根据故障电流影响因素分析,针对不同交流出口特性需求,设计了故障期间桥臂电压控制方法,通过减小桥臂电压直流分量降低直流出口电压,从而抑制故障电流上升率;考虑主动限流策略对交流电压及桥臂电流的影响,以MMC不闭锁为约束条件,设计了控制参数的选取原则,最后在四端直流电网中对该主动限流方法的限流效果及其对故障切除后功率恢复的影响进行了仿真分析。结果表明,所提主动限流方法能够有效限制短路电流,降低直流断路器的电流开断难度,且对故障切除后的功率恢复影响较小。     

VSC-HVDC系统新型广义直流电压控制策略

建立了基于电压源换流器（VSC）的高压直流（HVDC）（VSC-HVDC）输电系统的标幺值数学模型。为了抑制系统故障时直流电压的波动幅度,基于上述模型,提出了一种新型广义直流电压控制策略。在此控制策略下,换流站间不需要通信,外环有功功率控制器为一个广义直流电压控制器（GDCVC）。当直流电压因交流系统受到扰动或直流电压控制器（DCVC）故障等原因而不能有效维持直流电压时,维持和限制直流电压的功能可平滑、自动地由有功功率控制器接替,从而达到保护设备安全运行、提高系统持续运行能力的目的。仿真表明,文中提出的控制策略在稳态和暂态过程中均具有良好的控制效果,对实际VSC-HVDC系统的控制器设计具有参考意义。     

Novel topology of DC circuit breaker and current interruption in HVDC networks

With the emerging growth of high‐voltage direct current (HVDC) transmission in modern power systems, the HVDC grid has become a hot topic in recent academic research and real projects. In the DC grid, DC faults can have very serious consequences, and so the faulty DC parts need to be rapidly isolated from the system. Compared to the full‐bridge converters for the DC grid, DC circuit breakers are preferred to deal with this problem economically. In this paper, the self‐excited resonant DC circuit breaker is reviewed. Then, a novel scheme of hybrid DC circuit breaker is introduced, and the operation principle of the proposed circuit breaker is described in detail. Finally, a four‐terminal HVDC grid based on a modular multilevel converter (MMC) is used as the DC test system in PSCAD/EMTDC to verify the validity of the proposed DC circuit breaker. From the simulation results, it is seen that the proposed DC circuit breaker has advantages on current interruption time, voltage on DC circuit breaker, investment, etc. © 2017 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

适用于VSC-MTDC系统的直流电压控制策略

直流电压稳定是关系到电压源型直流输电系统可靠运行的关键问题之一。文中首先分析了在电压源型直流输电系统中直接电流控制和直流电压偏差控制的工作原理,然后提出了在电压源型多端直流输电系统中采用基于直流电压偏差控制的多点直流电压控制策略。控制器采用该策略后,能实现定有功功率控制模式与定直流电压控制模式之间的自动转换,确保定直流电压控制的换流站故障退出后,仍能实现对直流电压的控制和有功的平衡。以一个5端系统为例进行仿真验证,结果表明多端直流输电系统的运行可靠性得到提高,且获得良好的动态性能。     

脉宽调制DC／DC全桥变换器软开关技术的研究

采用软开关技术可以有效克服功率变换器的开关损耗。介绍了软开关脉宽调制DC／DC全桥变换器的实现原理,给出了多种零电压开关（ZVS）和零电压零电流开关（ZVZCS）变换器的电路拓扑,分析了它们的性能特点和结构优缺点,指出了零电压零电流开关脉宽调制DC／DC全桥变换器在中、大功率场合会有很好的应用前景。     

IGBT串联均衡控制方法及其高压直流装备应用可行性研究

大功率电力电子技术一般通过器件或模块串联实现高电压耐受,在常规高压直流和早期柔性直流输电换流器中,采用了晶闸管或IGBT直接串联技术。而基于模块级联的换流器技术因具备高扩展能力,成为目前柔性直流输电主流路线,同样也应用于高压直流断路器等设备中。首先,对IGBT器件直接串联的技术进行探讨;然后,分析串联IGBT开关组件在柔性直流输电、高压直流断路器等场合应用的方式,提出对应的设计方案;最后,对设计方案进行分析计算。研究结果表明,在现有的基于级联模块的高压直流断路器设备中,通过采用IGBT直接串联组件,可以有效地降低其体积和成本,但对于柔性直流换流器,该方案没有显著的提升效果。     

高压直流输电线路故障清除及恢复策略研究综述

高压直流输电线路故障后的快速清除和恢复对整个系统的稳定、可靠运行至关重要。文中分析总结了现有基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)系统和基于电压源型换流器的高压直流(VSC-HVDC)系统中直流线路故障清除及恢复策略。指出现有策略中存在盲目恢复的不足,会对整个系统造成更大的冲击或者不必要的停运。提出了一种可能的解决方案:在不同直流输电系统中展开直流输电线路故障自适应恢复研究,实现直流输电系统的安全、快速恢复,完善直流线路故障综合处理方案。     

AC/DC混合输电系统分散协调控制

针对电压源型高压直流输电（VSC-HVDC）在应用中带来的AC／DC交直流输电系统的协调控制问题，建立了AC／DC数学模型，并对AC／DC提出了一种新的分散最优协调控制模式。在该模式中，逆系统线性化理论被应用于直流输电系统的控制。文中为了与交流电网相配合，将标幺制引入了直流输电系统，并以Lyapunov间接法证明了该闭环非线性系统的稳定性。AC／DC混合输电系统的数值仿真结果表明了该控制策略的有效性和鲁棒性。