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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

DC/DC/AC混合型MMC变换器控制策略分析与设计

研究了一种可以实现电能不同形式综合利用的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器(MMC),该结构的变换器实现了电压变换功能的多样化。首先,分析了该种可以同时实现DC/DC与DC/AC混合电压变换的模块化多电平变换器拓扑结构;然后,利用功率正交原理,设计了DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器的闭环控制策略;最后,在给定交流负载侧交流电流的前提下,实现了各个桥臂子模块电容电压的均衡控制。仿真结果验证了所提出的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器电压变换功能的可行性以及控制策略的有效性。     

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。     

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。     

基于容性能量转移原理的高压大容量DC/DC变换器

随着基于电压源型换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)技术的快速发展,十几年间世界范围内已建成数十个各种不同电压等级的VSC-HVDC工程。根据交流电网的发展历史,未来构建大规模直流电网是必然趋势。然而直流电网必须采用DC/DC变换器来充当直流变压器的角色,因此高效率、低成本的高压大容量DC/DC变换器是直流电网技术中亟待攻克的关键基础性课题。该文针对不同电压等级直流输电线路互联的技术需求,对经典低压DC/DC拓扑进行改造,推演出一系列基于容性能量转移原理的高压大容量DC/DC变换器拓扑,并揭示此类拓扑的演化规律和换流原理。相比传统变换器方案,该拓扑可降低器件数量,提升拓扑转换效率以及减小变换器体积重量。最后,通过仿真和实验验证基于容性能量转移原理的DC/DC变换器的可行性。     

用于大容量风机直流并网的二重化三电平软开关变换器

随着海上风电场容量的扩大和离岸距离的增加,避免了无功电压问题的直流风电场得到了日益广泛的关注。直驱风机作为海上风电开发的主流机型,通过DC/DC变换器的设计可实现直流并网。首先,依据机组直流并网需求提出了一种二重化三电平软开关DC/DC变换器方案,在减小变换器体积的同时有效降低了变换器的开关损耗;其次,在详细分析子变换器工作原理的基础上给出子变换器重要参数的设计方法;然后,依据DC/DC变换器的控制目标,给出了其在稳态和故障阶段的控制策略,实现了机组的安全稳定高效运行;最后,通过仿真算例验证了所设计的DC/DC变换器拓扑的优越性和控制策略的有效性。     

一种基于CSC-VSC的DC/DC换流器及其控制策略

在能源互联网建设中,DC/DC换流器是实现不同直流电压等级的可再生能源并网的必要环节,引起了广泛的研究。DC/DC换流器的体积、成本、动稳态性能和故障性能是其广泛应用的限制因素。为此,提出了一种并网端采用有源电流源换流器、分布式能源端采用电压源换流器的front-to-front混合DC/DC换流器,其中CSC和VSC交流侧采用高频率正弦波调制。所提出的基于CSC-VSC的混合DC/DC换流器具有体积小、成本低、可穿越直流短路故障等优点。通过对混合DC/DC换流器数学模型的分析,提出了换流器参数设计方法,给出了换流器运行范围约束。再提出了一种适用于混合DC/DC换流器的综合控制策略,其中CSC采用有功无功闭环控制、VSC采用交流电压幅值闭环控制。利用RTLAB半实物仿真平台分别对混合DC/DC换流器额定运行工况和直流短路工况进行了实验研究,结果验证了所提混合DC/DC换流器拓扑和控制策略的合理性和有效性。     

一种混合开关电感和开关电容的高增益DC/DC变换器

针对传统Z源DC/DC变换器存在的输入电流不连续、输出电压增益不够高和功率器件电压应力较高等不足,利用开关电感和开关电容技术,提出了一种混合开关高增益DC/DC变换器。该变换器主电路中只用到1个储能电容,结构简单,与现有典型的高增益阻抗源DC/DC变换器相比,所提出的混合开关电感和开关电容的DC/DC变换器可以实现更高的输出电压增益,同时电容和开关器件的电压应力较低。详细分析了所提变换器的工作原理,通过在实验室中所建立的输入电压16～40 V、输出电压26～107 V和输出功率7～114 W的原型验证了其性能。     

谐振式模块化直流变换器的高增益控制

随着新能源发电并网系统发展和各类新兴直流负载出现,直流配电网得到快速发展,高增益直流变换器成为不同电压等级互联的关键设备。提出了一种基于子模块级联结构的谐振式模块化直流变换器RMDC(resonant modular DC converter)拓扑,并利用子模块电容与桥臂电感构成串联谐振回路实现能量传递,同时级联结构易于获得较高的电压增益。首先分析了RMDC工作原理及关键参数和电压增益之间的数学关系;在此基础上,提出一种高增益控制方法;最后通过仿真和实验结果验证了理论分析和高增益控制方法的有效性和正确性。     

基于混合型MMC和直流开关的柔性直流电网直流故障保护研究

提出了采用混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter,hybrid MMC)和直流开关构建柔性直流电网进行架空线远距离电能传输的方案。针对由全桥型子模块和半桥型子模块组成的混合型MMC,分析了其拓扑结构、基本运行原理和直流电压运行区间,提出了混合型MMC的三自由度控制架构,并详细分析了直流故障穿越控制策略,进而设计了混合型MMC构成的柔性直流电网的故障清除策略和多次重启动时序。故障期间,混合型MMC无须闭锁IGBT,可控制故障电流至0,从而保持不间断运行、持续向交流系统提供无功支撑。3次重启动失败后,架空柔性直流电网配置的直流开关在零故障电流下开断以隔离故障电流通道,直流电网重启,线路潮流发生转移。最后在PSCAD/EM TDC仿真平台验证了所提出的故障清除策略及重启动时序的可行性。     

基于多重化DC/DC变换器的储能变流器研究

为了满足越来越大的储能系统规模对大功率储能变流器的需求,将多重化DC/DC变换器引入储能变流器的拓扑结构。对多重化DC/DC变换器的电流纹波及谐波特性的分析表明其具有显著优势。储能变流器的控制策略加入基于直流母线电压的下垂控制。对所研究的储能变流器拓扑结构及控制策略进行仿真并搭建样机。仿真和实验结果表明,所设计的基于多重化DC/DC变换器储能变流器性能具备大功率充放电的功能并且性能优良。     

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。