基于开关电容二端口子模块的自耦式模块化直流变压器

基于电力电子器件的直流变压器能量变换环节多,存在体积大、成本高、效率低、控制复杂等问题。基于开关电容概念,设计新型二端口子模块,利用自耦变思想进行模块化组合,提出一种新型自耦式模块化直流变压器拓扑。分析了新型自耦式模块化直流变压器的工作原理,给出其电感纹波和电容纹波的理论计算公式。对所述拓扑的电容和电感参数进行了设计,并提出调制、电容均压以及输出电压/功率的控制策略。通过仿真与实验验证了新型直流变压器拓扑、理论分析以及控制策略的正确性。     

具备无闭锁穿越直流故障能力的直流自耦变压器

首先,分析了目前直流自耦变压器技术的特点及其缺陷所在,针对目前直流自耦变压器无法穿越直流故障的问题,分析了直流自耦变压器穿越直流故障的需求,在其基础上结合混合型模块化多电平换流器的特点,设计了具备无闭锁可穿越直流故障的直流自耦变压器子模块数目配比。其次,设计了该变压器的控制策略,保证其在正常工况和故障工况下的稳定运行。最后,在PSCAD/EMTDC下搭建了测试系统,验证了所提无闭锁穿越直流故障直流自耦变压器技术的可行性及控制策略的有效性。     

多端口直流直流自耦变压器

该文提出了一种多端口直流–直流自耦变压器的拓扑,该多端口直流自耦变压器用于互联多个直流电压等级不同的直流系统。提出了多端口直流自耦变压器的潮流直接分析法以及潮流分解分析法,推导了多端口直流自耦变压器中各换流器额定电压与额定功率设计方法,设计了多端口直流自耦变压器的控制策略。以一个三端口直流自耦变压器为测试算例,在PSCAD/EMTDC下仿真验证了多端口直流自耦变压器的技术可行性。以互联±250、±320 k V和±400 k V直流系统为例,假设±250 k V和±320 k V系统的额定输入/输出功率分别为500 MW和1 000 MW,采用常规的多端口直流–直流变换器技术所需要的换流器总容量为3 000 MW,而采用多端口直流自耦变压器技术所需要总的换流器仅为775 MW,所使用的换流器总容量仅为现有技术的26%,显著节省了成本,降低了运行损耗。     

直流自耦变压器样机设计与实验验证

当互联不同电压等级的直流输电系统时,需要利用直流变压器技术。直流自耦变压器凭借其结构特点,被认为是最具经济性的拓扑之一。文章研制了由两电平电压源型换流器组成的直流自耦变压器(DC AUTO)实验样机。通过将双向DC AUTO中特定的电压源换流器闭锁便可将其重构为单向直流自耦变压器。设计了实验样机系统主接线,研究了各VSC换流器单元在不同工作模式下的控制策略及其控制系统架构,提出一种应用于单向直流自耦变压器的带电流保护的双环控制器,详细分析了实验样机的启动方法及其功率传输特性。通过直流功率传输实验验证了不同类型的直流自耦变压器的可行性,实验结果表明,实验样机在稳态直流功率传输、潮流反转等工况下具有较好的静态和动态性能,系统功率响应迅速且跟踪准确。     

新型双降压式模块化多电平直流变压器

为保证直流配电网稳定运行,直流变压器起到了至关重要的作用。针对半桥和全桥型模块化多电平直流变压器存在的直通和死区问题,本文提出了一种新型双降压式模块化多电平直流变压器,详细阐述了其拓扑结构和工作原理。基于类方波调制方法,分析了在不同外移相角和桥臂子模块内移相角的情况下该拓扑的变压器漏感电流变化以及功率传输特性。并提出了结合子模块电容电压变化量与当前电容电压值的排序算法,实现了桥臂内的电容电压平衡。基于PSIM平台对比了传统桥式模块化多电平直流变压器（HB-MMDCT）与本文所提出的双降压式模块化多电平直流变压器(DB-MMDCT)在类方波调制方法下的运行特性,验证了本文所提拓扑和控制方法的可行性和有效性。     

中低压直流变压器拓扑与控制综述

直流变压器作为直流电网中实现电压变换与电能分配的核心装备,其运行特性对直流电网影响深刻.基于此,对中低压直流电网中直流变压器的研究现状进行了总结与分析.首先,简要阐述了直流变压器的基本功能和典型运行场景;考虑到拓扑是直流变压器适应不同电压等级应用场合的关键,从端口数量和能量耦合方式的角度对直流变压器拓扑进行了分类,明确了各类拓扑的主要特征;其次,全面分析了直流变压器在稳态与暂态运行过程中包括效率优化、软启动、直流偏置电流抑制等方面的控制策略,有利于保障直流变压器在复杂工况下的高效可靠运行;然后,对直流变压器核心部件——高频变压器的关键技术进行了讨论,为高频变压器的选型和设计提供了参考;最后,对直流变压器未来的发展趋势进行了展望.     

新型直流输电系统阀侧绕组无功补偿特性分析

提出了一种新的采用新型换流变压器的直流输电系统结构，并相应分析了其拓扑结构的特点，重点论述了新型换流变压器阀侧角接三角形绕组端部引出抽头接辅助滤波兼功补装置时，其所体现出的无功补偿度对新型直流输电系统运行的影响。通过统计不同无功补偿度情形下新型换流变压器换相电抗的变化规律，得到了与之相关的换相角、极对地直流电压及换流器的无功功率特性变化曲线，并相应地分析了采用新型换流变压器的直流输电新系统受阀侧绕组无功补偿度影响的运行特性，验证了采用新型换流变压器的新系统在结构与运行性能上所具有的优越性。     

具备阻断直流故障电流能力的直流–直流自耦变压器

提出具备阻断直流故障电流的两端口直流–直流自耦变压器。共提出两种方案,分别为将直流自耦变的第一、第三换流器改造为具备阻断直流故障电流能力的换流器,以及在直流自耦变直流高低压直流端口间安装直流断路器。论述了两种方案的拓扑结构,推导了两种方案下所使用的换流器总容量随变比的关系,分析结果表明,安装直流断路器的方案所使用的换流器总容量少于改造换流器的方案。仿真验证了加装直流断路器方案的有效性,结果表明,在变比为1~2.5的范围内,两种方案下,具备阻断直流故障电流的直流–直流自耦变压器所使用的换流器总容量始终小于1.3倍互联功率,且所使用换流器总容量随变比降低而降低;而常规的直流–交流–直流变换技术无论变比如何变化,所使用的换流器总容量始终为2倍的互联功率。在PSCAD/EMTDC下仿真验证了所提出的保护方案的正确性。     

LLC直流变压器同步整流与临界连续过谐振控制

采用固定开关频率的LLC谐振式直流变压器已广泛应用于各类隔离式两级结构拓扑中。针对应用于宽电压输入、大电流输出、工作于完全谐振状态且采用同步整流的LLC直流变压器,分析了其副边受同步整流管寄生结电容的影响而无法实现临界导通模式CCM的现象与原因,提出了无需额外传感器的同步整流数字控制计算方法;利用LLC直流变压器输出电压不控的特点,提出了基于效率优化的临界连续过谐振控制策略,分析了该控制策略在轻载时优于传统的完全谐振开环控制策略的原因;最后,搭建了1台实验样机,验证了该控制策略的正确性和可行性。     

基于直流侧有源谐波抑制方法的高功率密度多脉波整流器

为提高多脉波整流器的谐波抑制能力和功率密度,提出了一种使用直流侧有源谐波抑制方法和星形联结自耦变压器的多脉波整流器。该整流器的两个整流桥分别与两个Boost变换器相连,通过控制Boost电路的输入电感电流使整流器输入电流近似为正弦波;使用星形联结自耦变压器作为移相变压器,该变压器绕组结构交互联结,可显著降低变压器的容量,提高系统的功率密度。计算了使整流器输入电流为正弦波时的Boost变换器电感电流理论波形,并给出了可实现的电感电流波形,进一步分析了直流侧谐波抑制方法对星形联结自耦变压器容量的影响。仿真及实验结果表明,该整流器可有效抑制输入电流谐波,且具有较高的功率密度。     

直流变压器研究

随着大功率电力电子器件的日益发展,采用电力电子器件构成的电力电子变压器不但可以实现交流变压器功能,而且还可以实现直流变压功能即直流变压器,从而有利于减少变压器的体积和成本;另外,随着直流电网的发展和普及,直流变压器将在直流输电中也会得到较为广泛的应用。因此,电力电子变压器得到了越来越多得到人们的关注,为利于该技术的实际应用,通过电路模态分析、仿真和实验,详细地分析并实验研究了全桥拓扑结构直流变压器的工作过程和高频变压器磁复位工作原理以及输入输出特性,最后给出了实验结果。仿真和实验结果表明直流变压器能够自动利用输出电压实现高频变压器磁复位和直流变压功能。因此,直流变压器可以广泛地应用在不需要调压的直流用电场合。     

谐振变换器开关死区引起的直流变压器的功率损失

随着直流微电网和直流配电网的兴起,作为直流电压隔离变换的直流变压器备受关注。具有恒变压比的直流变压器通常采用高频谐振变换器和50%占空比控制,具有高效简洁的特点。本文分析了考虑开关死区情况下直流变压器的典型工作模态,推导建立了传输功率与开关死区时间的数学表达式,得到了死区将会降低直流变压器的传输功率的结论。建立了一种CLLC型谐振变换器拓扑的直流变压器的仿真模型和实验平台,结果验证了上述结论的正确性。     

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。     

中压直流配电网中直流变压器工程化应用

文中针对中压直流配电网中直流变压器(DCT)的工程化应用问题,首先归纳实际工程对DCT故障快速恢复、高可靠供电及灵活控制的需求,采用带有隔离半桥的改进型子模块结构,分析其故障阻断、在线冗余、有载调压及均压控制功能。然后,讨论子模块取电方式、整机启动策略及绝缘设计等典型工程问题,比较多种解决方案并进行适应性分析。进一步,重点研究能效提升方法这一工程核心问题,分析硬件及软件上的能效提升措施,并分别从材料选型、高频变压器设计、控制策略改进、系统用能优化等方面提出相应优化策略。最后,探索小型化应用的工程推广前景,从特定场景设计、模块拓扑改进、新型材料应用3个角度分别提出一种小型化方案,阐明现有技术瓶颈并提出相应解决思路。     

不平衡工况下CLLC型交直流母线接口变换器控制策略

针对交流微电网电压不平衡工况下直流微电网母线电压二倍频脉动问题,提出一种适用于CLLC直流变压器的两级式双向隔离AC/DC母线接口变换器控制策略。首先,对不平衡工况下交直流母线接口变换器功率传输特性进行分析,并设计抑制交流侧负序电流的控制策略。其次,建立CLLC直流变压器的基波等效模型,并分析其电压增益和输入阻抗特性。在此基础上,考虑不平衡工况下CLLC直流变压器输入电压脉动特点,对CLLC直流变压器进行了参数优化设计并提出了基于脉动电压前馈的控制策略以抑制直流母线电压脉动。最后,通过Matlab/Simulink进行仿真,结果表明,采用所提控制策略,在交流母线电压平衡及不平衡工况下均能保证三相电流平衡的同时抑制直流母线电压脉动。     

基于MMC的高升压比直流变压器调制策略研究

现有的高压大功率DC/DC变换器研究开始更多地关注基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的face-to-face(F2F)拓扑。该拓扑由变压器连接两个模块化多电平换流器,易于根据电压等级扩展模块数量,因此,基于F2F的拓扑开始研究并应用在直流电网互联、新能源并网等领域。目前,基于该结构的直流变压器主要由其中频变压器提供变比。针对上述拓扑的特点,提出不依赖变压器变比的调制策略。采用该调制策略,可以灵活调节拓扑中各桥臂模块的通断改变电压变比,同时兼顾升压、降压功能。最后,在Matlab/Simulink中给出仿真算例,验证提出的方法的可行性。     

一种并联输入并联输出的宽范围双向隔离DC/DC变换器

目前,DC/DC变换器广泛应用于新能源发电、电动汽车以及锂电池化成分容等领域。针对低压大电流双向功率传输应用场合,提出了一种输入并联输出并联的宽范围双向隔离DC/DC变换器。该变换器由2个相同的两级式DC/DC变换器组成,前级采用高效率LLC谐振变换器作为直流变压器,以实现电气隔离;后级采用交错式Buck/Boost变换器,保证宽范围电压输出和高动态性能。所提变换器能够实现功率的双向传输,且采用了一种功率方向改变时,无需进行功率流向判断与开关逻辑切换的调制策略,简化了系统的控制策略并提高可靠性。设计了1台3 kW的实验装置,实验结果验证了所提变换器及其控制方法的可行性和有效性。     

非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制

用于中高压直流电压转换和直流电网互联的高压大功率直流变压器一般采用中间交流变压器,存在损耗高和体积大等不足。对一种非隔离型的模块化多电平DC/DC变换器进行了研究,与普通双有源桥式DC/DC变换器相比,避免了交流变压器的存在。首先分析了此变换器的工作原理,建立了变换器的等效数学模型。考虑子模块电容电压存在特殊的不平衡,变换器需要引入交流循环电流,提出了一种保证桥臂功率均衡的最小化桥臂环流的控制策略,减小了桥臂电流的交流分量,降低了变换器的损耗。在Matlab/Simulink中仿真验证了变换器的性能和最小环流控制策略的有效性。最后搭建实验平台进行了实验验证。     

一种新型变压器直流偏磁抑制装置

高压直流输电单极大地回路运行产生的地电流会导致变压器直流偏磁,引起变压器局部过热、振动加剧、噪声增大等不良反应.分析了直流偏磁对变压器影响以及抑制直流偏磁的主要方法,提出了抑制变压器直流偏磁的新装置拓扑,采用电位补偿原理,通过故障模拟仿真,完成了对整个装置的器件参数选型,为有关工程建设提供借鉴.     

模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究

模块化多电平型(modular multilevel)高压DC/DC变换器采用模块化结构,能够很容易通过子模块串联的方法得到较高的电压和功率等级,适用于高压大功率直流变压场合。该DC/DC变换器采用由两个模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)组成"面对面相连"的结构,其本身具有直流侧故障保护的功能,无需采用直流断路器进行保护,变压器的存在可实现了电气隔离。目前针对此拓扑结构的研究尚处于起步阶段,其基本运行方式仍是研究的重点和难点。本文具体描述了模块化多电平型高压DC/DC变换器的拓扑结构,并且分析了其本身具有直流侧故障保护功能的作用机理。在此基础上,从调制策略、电容电压平衡策略及功率控制策略三方面对控制器进行设计。最后,通过建立仿真模型和搭建单相结构的实验平台,验证了所提基本运行方式的有效性。