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。     

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。     

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。     

单向直流–直流自耦变压器

该文研究了一种单向直流–直流自耦变压器。该单向直流自耦变压器由电压源型换流器与不控整流器串联而成,包括升压型单向直流自耦变(UUDAT)和降压型单向直流自耦变(DUDAT)两类拓扑。提出UUDAT以及DUDAT的直流功率控制策略,分析了高压直流系统故障以及低压直流系统故障下,UUDAT和DUDAT的直流故障响应并提出相应的故障隔离措施,评估了直流故障隔离能力对UUDAT和DUDAT造价的影响。在PSCAD/EMTDC下通过对±320kV/±500kV,1000MW的UUDAT和DUDAT的仿真,验证了UUDAT和DUDAT的技术可行性。由于使用了自耦技术,UUDAT和DUDAT相比于常规的DC-AC-DC型单向DC/DC可以较大地节省所使用的电压源型换流器、不控整流器和交流链路的容量。     

直流–直流自耦变压器控制与直流故障隔离

推导直流–直流自耦变压器(DC/DC autotransformer,DC AUTO)内部交流系统的动态特性,设计直流自耦变压器的控制器,分析高压侧直流故障以及低压侧直流故障时,直流自耦变压器的响应特性,提出将MMC1、MMC3部分子模块改造为自阻型子模块以隔离高压侧直流故障及低变比时在MMC1、MMC3额外串联半桥子模块以隔离低压侧直流故障的方法,分析双向直流故障隔离能力对DC AUTO造价的影响,论文随后在PSCAD/EMTDC上搭建一个±320 kV/±500 k V 1 000 MW DC AUTO的仿真算例,验证所提控制器与故障隔离方法的正确性。以测试的DC/DC为例,常规DC/AC/DC技术所需要的换流器总容量为2 000 MW,而DC AUTO技术仅需1 020 MW换流器即具备DC/AC/DC技术的全部功能(包括双向直流故障隔离能力)。常规DC/AC/DC的损耗率约为1.8%,而DC AUTO的损耗率约为0.97%,在低、中变比下,DC AUTO具备取代DC/AC/DC的潜力。     

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。     

具备故障电流限制能力的多端口直流断路器

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断的重要装备。然而，目前每条直流线路两端均需配备一台价格昂贵的二端口混合式直流断路器，这严重限制了其在未来新型电力系统中的规模化应用。该文提出一种具备故障电流限制能力的多端口直流断路器，在实现故障双向阻断的基础上，与常规方案相比故障电流峰值下降了38.0%、避雷器能量耗散应力下降了61.21%。更为重要的是，所提断路器完成直流母线故障隔离后，与故障母线相连的健全直流线路仍可以进行正常功率传输，最大程度地保障了柔性直流电网的健全和持续可靠运行。首先，分析了直流断路器在故障工况下的故障电流阻断原理，并对各个动作过程进行了理论推导；然后，揭示了电容和电感参数对断路器限流性能的影响机理，确定了限流单元的元件选型方法；最后，基于PSCAD/EMTDC对所提具备故障电流限制能力的多端口直流断路器进行了仿真分析，结果表明，所提多端口直流断路器具有较强的有效性和适应性。     

基于改进型MMC的风电直流联网系统直流故障穿越协调控制策略

采用双极架空线柔性直流输电技术进行大规模风电远距离外送是其友好型并网的有效手段.针对风电直流联网系统直流故障阻断和功率盈余问题,提出了一种改进电流转移型模块化多电平换流器(M-CT-MMC),使其同时具备直流故障阻断和能量耗散的功能,从而在充分发挥耗散电阻作用的同时实现直流故障穿越.在直流故障阻断方面,通过将M-CT-MMC桥臂吸收支路的引出线互联构造三相中性点,避免了桥臂开关额外承受直流电压偏置导致的成本增加问题,并利用辅助支路间的协调配合,有效阻断了直流故障电流.在盈余功率耗散方面,针对自消纳和非自消纳工况设计了双极M-CT-MMC控制模式切换策略,在提高非故障极功率转带能力的同时自主吸收盈余功率,并基于功率耗散需求设计了耗散电阻分组投切控制策略,避免非故障极M-CT-MMC过载,从而实现不同运行工况下风电直流联网系统的直流故障穿越.最后,基于MATLAB/Simulink仿真平台验证了所提直流故障阻断及盈余功率耗散协调控制策略的有效性和可行性.     

用于全直流海上风电系统的单相混合型MMC直流变压器及其控制策略

全直流海上风电场是未来发展大规模远距离海上风电的重要手段之一，然而高变比大容量的直流变压器作为全直流海上风电场中的关键设备，其拓扑结构和控制方式仍有待深入研究。为此，提出了一种单相混合型模块化多电平换流器型直流变压器(single-phase hybrid modular multilevel converter DC transformer,SHMMC-DCT)，可以通过最近电平逼近控制实现超高变比的直流升压，并且令子模块电容电压在较低的开关频率下保持均衡。故障处理方面，提出混合子模块与耗能电阻结合的方式清除故障电流，可以代替价格高昂的直流断路器。最后，基于PSCAD/EMTDC搭建了采用SHMMC-DCT的全直流海上风电系统的仿真模型。结果表明，SHMMC-DCT不仅能够可靠高效地送出风电场直流功率，而且可以在高压直流侧短路时快速阻断电流，验证了SHMMC-DCT拓扑及其控制策略的可行性。     

直流-直流自耦变压器及其扩展技术

总结了一类新型的直流-直流变换技术—直流自耦变压器(DC AUTO)的设计与发展。阐述了直流-直流自耦变压器对直流电网的作用,以及DC AUTO的提出历程及其支撑技术,并把DC AUTO与常规交流自耦变压器作了类比。分析了具备双向直流故障隔离能力的DC AUTO的成本和损耗,并总结了多端口DC AUTO、混合型DC AUTO、单向DC AUTO、网间联络器等多种扩展技术,指出在中、低变比领域,DC AUTO可以取代常规DC/AC/DC技术。     

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。     

单向LC型直流—直流变换器的设计与控制

提出一种单向LC型直流—直流变换器,可用于互联两个电压等级不同的直流系统、单向地传输直流功率。该单向LC型直流—直流变换器由电压源型换流器、不控整流器,以及连接它们的LC电路构成。研究了单向LC型直流—直流变换器的拓扑设计,推导了其电感、电容设计步骤,设计了单向LC型变换器的功率控制方法,理论分析了直流故障时,故障电流幅值的大小。然后,在PSCAD/EMTDC上搭建了30 MW±10kV/±100kV仿真算例,验证了所提控制方法的正确性以及拓扑本身所具有的故障穿越能力。相较于其他直流—直流变换器,单向LC型直流—直流变换器具有直流升压比高、功率可控性好、制造成本低、具备直流故障穿越能力等优点。     

适用于直流电网的推挽式直流自耦变压器及其控制策略

基于双有源桥拓扑结构的能量传输机理,通过融合直流自耦变压器与模块化多电平换流器的拓扑演绎规律,提出了具有高传输效率和高运行可靠性的推挽式直流自耦变压器。分析了推挽式直流自耦变压器的工作机理、控制策略和系统参数对运行特性的影响。通过采用特定拓扑结构的四绕组变压器并结合推挽式工作模式,推挽式直流自耦变压器内部的特定四绕组变压器可由2个相同的单相双绕组变压器等效代替分析,极大简化了稳态控制策略的设计难度。PSCAD/EMTDC仿真验证了推挽式直流自耦变压器的技术可行性与有效性。     

基于模块化三电平方式的中压直流配电网DC/DC换流器设计

中压直流配电网与直流负荷、直流微电网的互联是实现直流配电网的关键,这将迫切需要一种适应于中压和低压大跨度变比的直流变压器(即DC/DC换流器)。三相双主动全桥(dual-active bridge,DAB)换流器具备可隔离、可实现双向功率流动、滤波器体积小等优点,该文基于三相DAB换流器拓扑,结合中压直流配电网DC/DC换流器高压侧电压应力大、低压侧电流应力大等特性,设计了一种基于三电平方式的DC/DC换流器模块,进而采用输入串联、输出并联的模块化级联方式设计了中压直流配网DC/DC换流器。最后,提出了换流器模块高、低压侧协调控制方式以及模块化DC/DC换流器的输入电压均分、输出电流均分控制方式,并在MATLAB/Simulink里验证了其可行性。     

基于主动控制的换流器与直流断路器的协调控制

针对采用直流断路器隔离故障的直流电网,提出了双极短路故障下的直流断路器与换流器协调控制策略。首先经理论推导,建立了双极短路故障时的故障电流表达式,根据表达式中影响故障电流的关键因素,提出了换流器的主动控制策略以减小故障电流。在换流器主动控制策略的基础上,提出了直流断路器与换流器之间的协调控制策略,用以提升直流电网的稳定性。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了四端直流电网仿真模型,仿真结果表明所提出的换流器主动控制策略可以有效减小故障电流,直流断路器与换流器之间的协调控制策略可以在断路器动作后快速提升直流电压,进而提高直流电网的稳定性。     

柔性直流配电系统换流器交流侧接地故障的分析

柔性直流配电网中的换流器若经联结变压器接入交流电网,联结变与换流阀之间发生绝缘损坏会产生换流器交流侧接地故障。接地故障对系统运行的影响及其保护方案值得研究。首先分析了柔性直流配电网中各部分的共模等效模型。考虑联结变不同的接地方式,建立了一个典型的五端柔性直流配电系统共模等效电路。推导了各端基频共模电流、电压的计算公式。其次考虑系统可能存在的各种谐振,提出了一种基于换流器直流侧基频共模电流、电压以及功率方向的多端柔性直流配电系统交流侧接地故障的保护方案。最后在PSCAD仿真平台上进行了验证。     

适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑

两电平电压源型换流器在35kV及以下电压等级输电场合具有较高的成本效率比,因此被广泛应用于风电并网等低压领域。但是,其不具备直流故障清除能力的特点,给电网设备安全造成了较大的影响。基于以上背景,文中提出了适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑。该辅助拓扑使用超导故障电流限制器,大幅降低了故障电流;基于电流谐振的思路,可实现在电流过零时将故障清除。采用该辅助拓扑的直流故障清除方案,相比于采用交流断路器的方案,具有清除时间短、故障电流小的优点;相比于采用直流断路器的方案,具有电压变化率小、成本低的优点。最后,在PSCAD/EMTDC中验证了所提辅助拓扑的正确性与有效性。     

适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC

柔性直流电网对价格高昂的高压大容量直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)的需求限制了其发展与应用。论文提出了适用于直流电网的故障电流主动转移型低成本直流故障隔离方案,对半桥型模块化多电平换流器进行局部改造,使其在具备主动转移故障电流辅助分断故障线路的同时,降低了换流器桥臂子模块内器件的过流程度与过流时间,提高子模块内器件的可靠性。随后阐述了故障电流主动转移方案的工作原理,并对各阶段的故障电流与新增模块内IGBT的电压应力进行理论分析。最后,利用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,并将论文方案与混合式DCCB方案的器件使用量进行对比,可知论文方案在换流器出线数目较多的场合具备一定的经济优势。     

直流电抗器与电容型限流器多目标优化配置方法

直流电网中直流故障电流抑制是亟须解决的关键问题之一.为了抑制故障电流的上升速率与峰值,针对含有电容型限流器的直流断路器,综合考虑电感和电容的故障电流抑制效果,分析了投入电容型故障限流器前后的故障电流特性,提出了在满足直流断路器开断容量限制和换流器桥臂电力电子器件电流限制的约束条件下直流电抗器和电容型限流器的优化配置方案.在PSCAD/EMTDC中搭建了六端直流电网模型,以直流电抗器电感值、限流电容两端电压和直流断路器分断电流作为多目标函数,对直流电抗器和电容型限流器进行参数优化,并给出针对不同电气应用场景的直流电抗器和电容型限流器优化配置方案.     

一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路的研究

基于电压源型换流器的高压直流输电系统的故障电流幅值大、上升速度快,现有直流断路器的故障电流开断容量和开断速度受到很大挑战.提出一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路,利用饱和铁心型超导限流器及限流电阻共同作用实现阻感复合限流,并借助吸能电阻达到加速故障电流清除、缓解直流断路器开断压力的目的.根据直流故障暂态特性...