具有直流故障自清除能力的新型MMC子模块及其混合拓扑

针对传统半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)在高压大功率领域不能通过换流器自身控制来实现直流故障的阻断问题,提出一种新型的类半桥型(Similarity Half Bridge Sub-Module,SHBSM)子模块拓扑结构。直流侧发生极间短路故障时,需同时闭锁所有IGBT脉冲信号。为降低IGBT触发一致技术要求,进一步提出一种类半桥-半桥混合型子模块,无需所有IGBT同时闭锁。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的类半桥型子模块,类半桥-半桥混合型子模块MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。相比于传统半桥型子模块MMC,类半桥型子模块MMC以及半桥-半桥混合型子模块MMC均无需增加IGBT的投入,即可以实现对直流侧故障电流的有效阻断,因此,具有较好的应用前景。     

一种具有故障隔离能力的MMC-HVDC换流站子模块拓扑研究

针对典型半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法阻断直流短路故障电流的固有缺陷,提出一种串联型双电容箝位型子模块,并结合传统半桥型子模块,设计成混联型桥臂拓扑,采用更低额定工作电压的IGBT,实现子模块基本功能的同时,增加了故障电流隔离能力。与全桥子模块结构和箝位双子模块结构相比,所提出的子模块拓扑方案进一步降低了器件成本。详细描述了该方案故障电流阻断机理,并通过电磁暂态仿真模型验证了基于该子模块拓扑的换流站方案的可行性。     

模块化多电平换流器改进拓扑结构及其应用

模块化多电平换流器(MMC)作为实现多电平换流器的一种新的拓扑结构,具有高度模块化、维护间隔长、输出波形谐波含量低等优点,因此在中高压电能变换和高压直流输电领域得到了广泛的应用和研究。而传统的半桥型子模块结构在直流侧发生故障的时候,由于所并联前向二级管原因,当IGBT闭锁时,不能够实现直流侧故障电流的阻断功能,从而对其应用带来了一定的不利影响。本文总结了现有的子模块拓扑结构的特点,通过分析MMC直流侧故障时桥臂电流与模块电容的充放电关系,对传统的半桥型子模块拓扑结构进行了改进,设计了串联双子模块闭锁拓扑结构,从而在不影响控制策略的基础上实现了直流侧故障电流阻断功能。最后以改进型拓扑结构为例,搭建了仿真模型,对直流侧故障特性以及相应的控制策略进行了分析验证。     

一种具有直流故障限流能力的模块化多电平换流器

为解决传统半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法限制直流故障电流的问题,提出一种改进型子模块的MMC拓扑。与传统半桥型子模块拓扑不同,交流输出端口增加了阻断IGBT及其旁路吸收回路。本文首先分析改进型子模块的工作原理,在此基础上开展基于该子模块的MMC的故障限流机理及其主要功率开关器件的电气应力的研究,并通过仿真算例对所提出的拓扑进行了验证。仿真结果表明基于改进型子模块的MMC拓扑在原有正常模式下不需要改变控制策略与调制策略,而在故障阶段能够迅速实现故障电流阻断效果,通过引入旁路吸收回路,进一步降低了对电路触发脉冲一致性的要求,因此在未来高压直流输电系统领域具有良好的工程应用前景。     

基于钳位双子模块的MMC故障清除和重启能力分析

针对当前已投入运行的高压直流(HVDC)输电工程中模块化多电平换流器(MMC)不具备直流侧故障电流闭锁能力的问题,分析了一种可自清除直流侧故障电流并且可重启动的MMC拓扑——基于钳位双子模块的MMC。这种拓扑可在发生直流故障时通过闭锁所有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的触发信号和利用二极管的反向阻断能力迅速完成闭锁过程,从而达到无需交流断路器动作实现清除直流故障的目的。这种拓扑将半桥模块化MMC的调制方法和控制策略与可清除直流故障能力结合在一起,且具有结构简单、造价经济等特点。通过对半桥模块化MMC和钳位双子模块MMC在直流侧双极短路故障情况下的故障电流进行分析和仿真,验证了基于钳位双子模块的MMC在处理直流侧故障方面的能力和效果。     

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。     

增强型柔性逆阻模块化多电平换流器的故障阻断特性分析

鉴于传统半桥型模块化多电平换流器(HBSM-MMC)无法阻断直流故障电流的不足,通过对半桥子模块进行改造并增加桥臂阻尼模块(BDM),提出一种增强型柔性逆阻MMC(EFRB-MMC)拓扑,就其故障阻断特性展开详细研究。首先,分析EFRB-MMC的工作原理和故障阻断机理,推导故障电流和钳位电压解析式;然后,在故障阻断时间和器件电气应力研究基础上,进一步提出EFRB-MMC的关键参数设计原则;最后,仿真结果证明上述理论的有效性。     

子模块混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略

半桥和全桥子模块混合型模块化多电平换流器在具备直流故障穿越能力的同时降低了开关器件的数量。介绍其拓扑结构以及子模块数量的确定方法。阐述半桥和全桥子模块阀段自身平机理和调制电压基本分配原则,并结合最近电平逼近调制提出一种半桥和全桥阀段间平衡的控制策略。分析直流故障期间换流器的等效电路,为了减少暂态期间直流故障电流对子模块电容电压平衡的影响,提出一种基于虚拟电阻的优化控制策略。整个故障穿越期间无需闭锁换流器,且还能持续保证交流系统对无功功率的需求。基于PSCAD/EMTDC,搭建两端子模块混合型模块化多电平换流器HVDC仿真模型,针对双极直流短路工况进行仿真分析,验证了所提出的控制策略的有效性。     

混合型MMC拓扑及应用于MTDC直流故障穿越能力分析

模块化多电平换流器(MMC)已成为高压直流输电领域最具前景的换流器技术之一。然而,与低电平电压源型换流器(VSC)相同,目前研究较多的半桥型MMC缺乏闭锁直流故障的能力。文中分析了不同结构的MMC在发生直流故障时短路电流的情况,提出了一种改进的MMC拓扑结构,基于错位层叠理论和换流器闭锁直流故障的原理,设计了一种适用于多端柔性直流(VSCMTDC)输电系统的混合型MMC拓扑结构,并结合VSC-MTDC系统直流故障时的"握手原则"详细说明了实现故障线路切除、非故障线路恢复的过程。最后,以典型的四端直流输电系统为例,通过PSCAD/EMTDC建模仿真,对故障后果最为严重的直流侧双极短路故障下的系统特性进行了分析验证。结果表明,基于该拓扑结构的多端直流系统能够在直流侧发生故障时快速闭锁换流器,并在短时间内恢复非故障线路的正常运行。     

具有直流故障阻断能力的混合型模块化多电平换流器

逆阻型MMC（RBSM-MMC）拓扑在处理直流侧故障电流时,下管逆阻型IGBT模块会出现较大的过电压,需满足极高的脉冲闭锁一致性,否则IGBT两端会承受极大的过电压,烧毁器件。提出了一种半桥-逆阻混合型MMC（RB-HBSM-MMC）拓扑,用于解决传统MMC的故障阻断能力和逆阻型MMC触发一致与尖峰电压的问题。在分析其混合拓扑结构及其故障阻断机理基础之上,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统。仿真结果表明：所提出的RB-HBSM-MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。RB-HBSM-MMC相比于RBSM-MMC,既可以实现对直流侧故障电流的有效阻断并能转移瞬时尖峰电压,解决过电压问题,降低对系统触发一致性技术要求,具有较好的应用前景。     

自阻型模块化多电平换流器故障后恢复策略与等值模型

提出了一种可仿真故障后恢复过程的自阻型模块化多电平换流器(SB-MMC)等值电磁暂态模型。首先针对自阻型模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统在直流故障后快速恢复的问题,设计了SB-MMC故障后快速恢复控制器与恢复策略,并分析了自阻子模块在恢复过程中的动态特性。基于上述SB-MMC的动态过程分析,提出了适应于任意工况的SB-MMC等值电磁暂态模型。最后,通过在PSCAD/EMTDC下的多组仿真,验证了SB-MMC等值电磁暂态模型的精确性并验证了故障后快速恢复控制方法的有效性。     

一种低损无源软开关新技术

提出一种能适用于任何隔离型DC/DC变换器的无源软开关新技术。它是将一个称为电荷泵馈能缓冲(CPRS)的网络加在硬开关隔离型DC/DC变换器上实现无源软开关的。在通常的复合缓冲电路基础上,附加一个二极管VDs、一个并联放电馈能电路(Rd//Cs)和一个附加在高频变压器上的耦合绕组Na构成CPRS网络。利用变压器电压自举技术,使缓冲电容Cr向较高输入电压源馈送电能而完成能量直接复位。Rd//Cs除了能传递电能外,还能防止发生电流环流以及吸收关断暂态能量的功能。CPRS电路的功率损耗仅为通常有损缓冲器的功率损耗的23%,即可达到接近有源软开关的效果。对电路的理论分析、计算机仿真研究与实验测试结果均表明,该技术可能有应用价值。     

一种新型扩展维持时间前端电压变换器

针对一次AC/DC电源系统中维持时间需求的问题,提出了一种充分利用储能电容的储能作用,扩展维持时间的前端电压变换器.在市电正常时,该电路工作在传统的功率因数校正(PFC)AC/DC模式,当市电断电时,则切换到维持时间DC/DC升压模式.推导出了维持时间模式下的维持时间与电容储能的关系.变换器结构简单,两种工作模式只需要一个控制系统.在一台2300W整流模块电源上的试验结果表明,提出的电路比传统电路能够扩展维持时间达2.5倍,证明电路是正确有效的.     

适用于多工况的高精度MMC改进平均值等效模型

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)在直流输电系统的应用日益广泛,而其快速等效模型则是进行直流输电系统相关研究的基础。为了弥补传统平均值等效模型在可仿真工况及仿真精度方面的不足,本文提出了一种适用于多工况的高精度改进平均值等效模型。首先,通过增加控制器件并配置相应的控制方法对等效模型拓扑结构进行改进,使其适用于多工况仿真。其次,在交流侧将开关器件压降等效为一个函数计入交流侧数学模型,并在直流侧引入考虑子模块高频投切的等效电容计算方法。最后,通过在PSCAD中搭建详细模型及等效模型验证该等效模型的有效性。结果证明,该等效模型在可仿真工况及仿真精度方面具备很高的优越性。     

一种双向级联式BuckBoost逆变器的建模与分析

介绍了一种新型级联式BuckBoost变流器,并对其进行了建模与理论分析。在确定变流器工作原理的基础上,通过详细的分析建立了变流器的开关函数模型,接着推导了变流器的开关周期平均值模型。该模型表明了该变流器系统具有双向能量流动和升降压的能力,并揭示了该变流器在控制上具有较强优势的原因在于它有一个额外的控制自由度。最后通过实验验证了上述分析。     

新型开关磁阻电动机功率变换器的研究与设计

通过对两种常用的四相开关磁阻电动机（SR）功率变换器主电路的分析，给出了新型功率变换器主电路。结合5．5kW四相SR电机调速系统的研制实践，通过增加DC／DC变换器提高放电电压加速绕组放电、改善电流波形、提高输出功率。最后给出实验结果。     

全桥三电平变换器的一种新型控制策略

本文对全桥三电平变换器提出了一种新的脉宽调制控制策略——双移相(Double Phase-Shift,DPS)控制。对比斩波加移相(Chopping plus Phase-Shift,CPS)控制,该控制策略大大减小了开关管体二极管的损耗,从而提高了变换器的效率,同时保持了变换器原有的优点。     

模块化多电平换流器功率模块过压保护策略及优化

阐述了模块化多电平换流器(MMC)功率模块IGBT不同封装方式及失效机理,分析了功率模块在故障前后及旁路开关闭合前后的工作原理。阐述了不同IGBT封装方式的MMC功率模块过压保护工作原理,针对焊接式IGBT功率模块过压保护策略存在电压测量过程中采样异常导致换流器跳闸的风险,对功率模块过压保护策略提出优化设计。优化策略在功率模块控制板卡中实现,程序资源占用量小且易于实现,有效避免了高层级控制设备误判误动作的风险。此外,提出了过电压判据以避免系统过压时误旁路功率模块。通过仿真验证了文中所提优化策略的有效性和可行性,所提出的优化策略已在某一实际工程中应用。     

一种新的变流器系统谐波计算方法

本文利用变流器逻辑开关模型,提出了用于变流器系统谐波计算的开关点采样法,此法仅需十二个开关变量动作点的有关数据及计算两个电流谐波即可完成其它变量的谐波计算,具有所需内存少、计算速度快、计算精度高的特点,为系统谐波研究提供了一种新的有实用价值的计算方法。根据采样点多少和采样长度,开关点采样法分为十二点采样法和周期采样法,分别用于系统准稳态谐波计算和一般谐波计算。     

一种新型自驱动同步整流技术的研究

研究了一种基于谐振变换器的新型自驱动同步整流电路，介绍了其工作原理，研制出基于全桥谐振变换器的同步整流电源装置，给出了实验结果。