配网统一电能质量控制器直流电容的容量计算与分析

子模块的直流电容是影响MMC-UPQC装置的成本和体积的重要因素之一,直流电容容量选择过大会影响MMC-UPQC在配网应用中的实用性。为减小直流电容容量,提出在MMC-UPQC装置补偿配网馈线电压暂降时MMC-UPQC的并联变换器吸收适量有功功率的控制策略。分析了采用不同电压暂降补偿策略的MMC-UPQC子模块直流电容容量选择方法,指出所提电压暂降补偿策略为较优策略,并通过仿真研究验证了该电压暂降补偿策略的正确性。MMC-UPQC装置采用该电压暂降补偿策略可减小直流电容容量,从而减少MMC-UPQC装置成本和体积,提高MMC-UPQC配网应用的实用性。     

一种动态调节电压暂降补偿深度的统一电能质量控制器

传统模块化多电平变换器统一电能质量控制器(MMC-UPQC)的串联变压器采用固定变比结构,该结构导致UPQC装置电压暂降补偿深度最大值为固定值,在馈线负荷未达到额定容量时串联变换器不能输出额定容量来补偿电压暂降。为充分利用串联变换器的容量补偿电压暂降,提出了新结构的MMC-UPQC以提高电压暂降补偿深度。分析了传统及新结构MMC-UPQC的电压暂降补偿能力,并通过仿真研究验证了新结构MMC-UPQC的正确性。与传统MMC-UPQC相比,新结构MMC-UPQC在保持装置容量不变的前提下,可分段动态调节电压暂降补偿深度,增大各段馈线负荷容量范围下MMC-UPQC装置的电压暂降能力。     

一种串联侧三相解耦型统一电能质量控制器

传统模块化多电平变换器统一电能质量控制器(MMC-UPQC)的串联部分采用单变换器和三个单相耦合变压器,三个单相耦合变压器在变换器侧成星形联结。该结构使UPQC装置的无法补偿包含有零序分量的电压暂升/暂降。为此提出了拓扑结构改良的MMC-UPQC以改善UPQC的电压暂升/暂降能力。新拓扑MMC-UPQC串联部分采用等效串联的双变换器和三个单相耦合变压器,三个变压器在变换器侧无直接联结,串联部分实现了串联侧的三相解耦。文中分析了新拓扑MMC-UPQC改善电压暂升/暂降补偿能力和提高系统安全性、可靠性的原理。通过仿真研究,验证了新拓扑结构MMC-UPQC的正确性。与传统MMC-UPQC相比,新拓扑结构MMC-UPQC可补偿同时包含正序、负序和零序分量的电压暂升/暂降,并从减小串联变换器交流电流、降低公共直流侧电压和变换器级的冗余运行三方面可提高系统的安全性和可靠性。所提出的新拓扑结构MMC-UPQC适用于大功率应用场合。     

采用模块化多电平换流器的统一电能质量控制器预充电控制

基于模块化多电平换流器的统一电能质量控制器(MMC-UPQC)是一种可应用于中、高压配电网的电能质量综合治理装置。在保证设备安全情况下完成装置的预充电过程是装置正常工作的前提,文中对预充电过程3个阶段(不控整流阶段、串联部分子模块电压提升阶段以及可控整流阶段)进行了数学建模与分析,认为在不控整流阶段,各相桥臂子模块中与子模块直流电容并联的反并联二极管将耐受最大冲击电流;在串联部分子模块电压提升阶段,限流电阻仍是限制冲击电流的主导因素,且该阶段所能产生的冲击电流要小于不控整流阶段。由此提出了MMC-UPQC的预充电控制策略,并通过数字仿真和低压物理样机对所提策略的有效性和可行性进行了验证。     

不平衡电网电压下基于模块化多电平变流器的统一电能质量调节器的微分平坦控制

电网电压不平衡时,电流电压波动较大,基于模块化多电平变换器(MMC)的统一电能质量调节器(UPQC)采用简单的PI控制难以调节电能质量.针对MMC-UPQC在电网电压不平衡的运行状态,提出一种基于正负序分离MMC-UPQC的微分平坦控制(DFBC)方法,它能够综合治理电压和电流的电能质量问题.首先,根据MMC-UPQC的拓扑结构,建立其在不平衡电网下的数学模型,分析MMC-UPQC的内部特性,验证MMC-UPQC的平坦性和稳定性;然后,根据正负序分离方法,采用无需锁相环方法对检测量进行分离,基于微分平坦控制理论,搭建结合前馈参考轨迹和误差反馈补偿的微分平坦控制器,并将其应用到多电平、高电压的MMC-UPQC电能质量补偿系统中,综合解决电网电压不平衡状态下的电网电能质量问题;最后,通过实验验证了基于所提微分平坦控制器的MMC-UPQC系统解决电压暂升、暂降和注入谐波问题的有效性和优越性.     

MMC型UPQC的启动控制策略对比研究

本文研究了基于模块化多电平型换流器的统一电能质量控制器(MMC-UPQC)的启动过程及控制方法。首先介绍了MMC-UPQC的基本运行原理,给出了数学模型,然后分析了MMC-UPQC的启动过程,针对串联侧换流器子模块电容升压过程的特点提出了两种不同的控制方法,并分别分析了各自的优缺点,最后进行了PSCAD/EMTDC仿真验证,结果表明串联侧换流器上下桥臂子模块轮换导通的控制方式由于采用逐步提高模块电容电压的方法,在启动过程的电压电流冲击较小,启动更为平稳,并且易于实现,是一种较好的启动方式。     

级联H桥变换器关键参数优化方法

电网不对称电压暂降易引起级联H桥CHB(cascaded H-bridge converter)变换器非正常运行,对用户造成极大的影响.本文应用移相变压器电压转换矩阵分析了电网不对称电压暂降在移相变压器中的传递关系,基于CHB平均模型分析了不对称电压暂降下CHB直流电压特性和正常运行条件.以某个CHB变换器为例,提出了一种CHB级联数和直流电容参数优化方法.仿真验证了参数优化方法的有效性,实现了电网不对称电压暂降时CHB正常运行.     

非隔离单相半桥UPQC直流纹波分析及其影响抑制

非隔离单相半桥统一电能质量调节器(UPQC)两侧变换器的脉动功率差将在直流电容及分电容上产生复杂的多倍频电压纹波,各次电压纹波会对串联侧变换器的补偿电压有不同的影响,降低串联侧变换器的补偿效果。为了抑制直流电压纹波影响,利用等效电容电流模型计算直流电容电压表达式,分析直流纹波及非线性负载对补偿电压的影响路径,并仿真验证其正确性。针对分电容电压纹波和非线性负载对电压补偿效果的影响,提出一种抑制多倍频纹波影响的补偿电压特定次谐波控制策略。最后,基于SiC器件建立了非隔离单相半桥UPQC实验平台进行实验验证,实验结果表明在非线性工况下,所提控制策略将补偿电压THD从12.2%降低至2.4%,相比于传统控制可以减少约70%的直流电容需求。     

不对称电压暂降对级联型变换器影响机理分析及参数设计

为降低级联H型变换器(CHB)对电压暂降的敏感度,提出了其耐受不对称电压暂降的参数设计方法。首先由不对称电压暂降下CHB各子模块整流桥臂导通特性,分析了不对称电压暂降下CHB子模块的三相整流电路的工作原理;在此基础上,提出了CHB各子模块直流电压幅值跌落的计算方法,作为设计满足直压裕度子模块数目的参考;最后依据不对称电压暂降下CHB各子模块输入、输出侧能量守恒关系,得到不对称电压暂降下各模块直流电压仍满足纹波需求所需的电容大小。试验结果表明:该参数设计使CHB具备免疫不对称电压暂降的能力,为CHB的设计、相关储能装置的设计提供参考依据。     

五电平MMC-UPQC的无源控制

分析五电平模块化多电平变换器-统一电能质量调节器(MMC-UPQC)的主电路拓扑和工作原理,建立其在dq0坐标系下的数学模型及EL模型。为加快误差能量收敛,采用阻尼注入方法设计电流内环无源控制器,确保MMC-UPQC的稳定性;通过电压外环PI控制器获得内环期望电流,消除静态误差。所提出的无源控制实现了对有功和无功的解耦控制,使系统具有良好的动静态性能。在负序二倍频坐标变换下采用相间解耦控制抑制环流,减少开关损耗;采用基于Park变换的电压电流补偿量提取方法,无需锁相环,提高补偿精度。最后在Matlab/Simulink搭建五电平MMC-UPQC仿真模型,仿真结果表明能够较准确地补偿不平衡、谐波电压以及无功、谐波电流,证明了无源控制的可行性。     

具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块：移位全桥子模块（OCFBSM）。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。     

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。     

Series resonant high‐voltage DC–DC converter with reduced component count

This paper proposes a novel zero‐current‐switching series resonant high‐voltage DC–DC converter with reduced component count. The series resonant inverter in the proposed topology has two power switches (insulated‐gate bipolar transistors, IGBTs), two resonant capacitors, and only one high‐voltage transformer (HVT) with center‐tapped primary windings. The power switches are connected in the form of a half‐bridge network. The leakage inductances of the transformer's primary windings together with the resonant capacitors form two series resonant circuits. The series resonant circuits are fed alternately by operating the power switches with interleaved half switching cycle. The secondary winding of the HVT is connected to a bridge rectifier circuit to rectify the secondary voltage. The converter operates in the discontinuous conduction mode (DCM) and its output voltage is regulated by pulse frequency modulation. Therefore, all the power switches turn on and off at the zero‐current switching condition. The main features of the proposed converter are its lower core loss, lower cost, and smaller size compared to previously proposed double series resonant high voltage DC–DC converters. The experimental results of a 130‐W prototype of the proposed converter are presented. The results confirm the excellent operation and performance of the converter. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

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。     

具有故障穿越能力的T型桥臂交替多电平换流器及其调制策略

针对常规模块化多电平换流器(MMC)难以兼顾直流故障穿越能力与系统经济性的问题,提出一种T型桥臂交替多电平换流器(T-AAMC)及其调制策略,其直流桥臂采用半桥子模块并配合桥臂移相的新型调制策略,有效降低换流器建造成本与运行损耗,同时由全桥子模块串联组成的交流桥臂实现了直流故障穿越.首先,介绍了T-AAMC的拓扑结构,再基于各桥臂能量平衡条件,明确T-AAMC的桥臂移相调制策略,进而分析了T-AAMC的运行参数与硬件配置;同时,设计闭环控制系统,实现交直流桥臂能量的动态平衡;然后,将T-AAMC与现有的MMC进行了对比,相比于混合型MMC,T-AAMC在子模块数量、功率器件数量、电容取值上均实现了削减;最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真平台,验证了拓扑、调制与控制设计的有效性.所提T-AAMC在正常工况下能够实现宽范围、高效率的能量转换,同时具有直流故障穿越能力,可保障系统持续可靠运行.     

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。     

新型ZVS软开关直流变换器的研究

介绍了几种新型零电压(ZVS)DC/DC变换器,分析了它们的优缺点,研究了一种新型MOSFET作为开关器件的三电平ZVS变换器,并分析了这种变换器一个周期的工作状态.该变换器用耦合电感代替常规电感,耦合电感通过变压器反射到原边,使变换器在零状态时的环流减小到零,实现了外管零电压开通,内管零电流关断.由于不存在一次侧环流,减小了通态损耗.     

基于超级电容储能型MMC的控制策略

新能源并网以及冲击性负荷接入易引发电网功率波动,会对邻近发电机组及电力系统的安全稳定构成威胁,为此提出一种基于超级电容器储能型模块化多电平变换器（modular multilevel converter, MMC）的分布式储能系统,利用双向DC/DC变换器控制储能系统的充放电过程,并给出相应参数设计原则。采用了基于双闭环PI调节和移相PWM调制技术的控制策略,控制超级电容能量均衡和MMC级联子模块电容电压稳定,引入能量管理机制控制MMC和DC/DC变换器的协同运行,实现了对中、高压系统中冲击性有功变化率的实时补偿。搭建了Matlab/Simulink模型,仿真结果验证了该装置及控制策略的有效性。     

一种电源-电容串联型直流变换器

提出了一种电源-电容串联型直流变换器,这种拓扑结构可以同时为两路直流电源升压,并且有效降低了半导体器件的电压与电流应力。与双路Boost型直流变换器相比,该电源-电容串联型直流变换器在不增加功率器件数量的前提下,显著降低了半导体器件的电压与电流应力,适用于分布式光伏并网逆变器的直流变换级。主要涉及该直流变换器的运行方式、电压与电流应力分析、效率对比,并通过实验验证了该直流变换器的可行性。