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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

光伏直流变压器不闭锁零电压穿越策略

针对中压直流系统双极故障下光伏直流变压器的低电压穿越问题,首先基于双有源桥和全桥隔离电路的子模块拓扑结构,分析光伏直流变压器正常运行时最大功率点追踪控制的快速实现方案。然后利用光伏电池板输出特性,提出光伏直流变压器不闭锁穿越策略,该策略对故障时长不敏感,可实现严重故障下的零电压穿越。进一步,针对故障穿越暂态过程中的过电压及子模块不均压问题,提出多控制策略间的平滑切换方案,有效降低暂态过程中的过电压现象,改善子模块间的均压效果。最后在MATLAB/Simulink环境中搭建仿真模型,验证所提策略的有效性。     

永富工程直流线路故障重启动控制策略优化研究

为解决直流输电工程中两站极控系统站间通信故障工况下,逆变站直流线路故障重启动频繁重复动作,导致无法闭锁直流系统的问题,提出在上述工况下逆变站直流线路故障重启动失败时直接闭锁直流系统的优化控制策略.通过基于 RTDS搭建的永富直流输电工程仿真系统模拟接地故障验证该优化控制策略.仿真试验结果表明,该直流线路故障重启动优化控制策略能有效解决上述工况下存在的问题,具有良好的工程应用性,对目前在运的高压/特高压直流输电工程均具有借鉴意义。     

直流变压器输出侧双极短路故障下的故障穿越方法

直流变压器在直流配电网中应用广泛,双有源桥(dual active bridge,DAB)作为其核心元件,在输出直流侧发生短路故障时会导致DAB内部开关管过流闭锁,降低了系统的故障穿越能力,同时对系统的故障恢复造成不良影响。对此,该文提出针对双有源桥低压侧双极短路后不闭锁的故障穿越方法,以提高系统的暂态可控性。通过在双有源桥内部的高频变压器副边串联电感,同时调节故障期间的移相比,增加了故障期间的可控性,减小开关管的电流应力,限制输出侧故障电流。上述方法使得DAB在故障期间能提供稳定的电气量特征,有利于直流配电网的故障识别和故障恢复。基于PSCAD/EMTDC软件对20k V/750V的直流变压器进行仿真,仿真结果验证了所提方法的正确性。     

城市轨道交通直流自耦变压器牵引供电系统故障保护研究

直流自耦变压器(DCAT)牵引供电系统凭借良好的轨道电位和杂散电流治理能力在城市轨道交通领域具有广泛应用前景.然而当直流牵引供电网络发生短路或DCAT自身故障时,传统DCAT由于缺乏故障保护能力,其直流支撑电容和谐振电容可通过故障处放电,进而导致DCAT器件损坏和故障扩散等.为此该文提出了一种故障保护型直流自耦变压器(...     

多端口分布式光伏接入直流配电系统整体故障穿越协调控制

因新能源渗透率高,多端口光伏分布式接入直流配电系统在并网换流器交流送出线路发生故障时应具备故障穿越的能力.然而,并网换流器与光伏直流变压器的容量、控制方式不同,即使两者在故障穿越期间可以相互高速通信协调,但是由于不同换流设备功率调节响应存在差异,直流母线电压容易发生较大波动,进而导致整个系统脱网.为此,提出了基于光伏端...     

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。     

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。     

双向AC/DC容错变换器模型预测直接功率控制

双向交直流变换器的故障容错运行能力可有效提高其可靠性。综合考虑双向变换器直流侧电压调节及变换器容错运行控制,本文提出一种双有源桥(DAB)级联容错三相四开关变换器(FSTP)的两级式结构及其四矢量下的模型预测功率控制策略。当变换器桥臂发生故障时,前级DAB结构可提高直流电压,后级FSTP结构能够保证变换器的可持续容错连续运行。与传统无容错变换器方案相比,本文所设计的结构及控制方法能够升高直流电压且具有故障容错运行能力,保证双向交直流变换器在桥臂故障下能够持续可靠运行。通过与传统无容错变换器的仿真及实验对比,验证了本文所设计的结构及控制策略的有效性和可靠性。     

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。     

一种不依赖直流断路器的直流电网架构

提出一种不依赖直流断路器的直流电网架构和相应的控制保护策略。根据电压等级和端口特征,将直流电网划分为若干子系统,通过在子系统间的连接线上串入故障隔离设备,即可不依赖直流断路器,实现直流故障的就地处理,故障子系统的隔离及重启过程不影响健全子系统正常的功率传输。相应的功率调节策略和站间通信分层设计方案,可以有效降低定电压控制换流站的过负荷风险及站间通信系统的复杂度。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果验证了所提出的直流电网和对应控制保护策略的有效性。     

张北柔性直流电网换流阀故障穿越策略与保护定值优化

不同于以往端对端柔性直流工程,应用直流断路器的柔性直流电网要求直流线路故障时换流站可实现故障穿越。文中以张北柔性直流电网工程为背景,首先,建立了直流线路故障时换流阀暂态电流的数学模型;然后,基于传统阀控过流保护策略,分别提出了保证换流阀故障穿越能力的定值设计方法和保证换流阀安全性的定值设计方法,解决了传统的阀控过流保护策略无法兼顾直流线路故障下换流阀的故障穿越能力要求和站内故障时换流阀的安全性要求的问题;最后,提出了基于分桥臂闭锁的新型阀控过流保护策略,并设计了详细的动作时序。在PSCAD中搭建张北柔性直流电网仿真模型,验证了所建立数学模型的准确性和所提出策略的有效性。     

特高压混合级联多端直流输电系统的协调控制策略研究

逆变侧采用电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)串联组成的特高压混合级联多端直流输电系统,为特高压直流输电提供了一种更为经济、灵活、快捷的输电方式。基于现有直流电网的协调控制策略,文中对受端MMC阀组之间的协调控制策略进行了深入的分析研究,并考虑了5种协调控制策略。然后,在PSCAD/EMTDC中,对上述5种策略遭受不同故障的响应特性分别进行仿真,故障包括送端交流故障、直流线路故障、受端LCC交流故障、受端MMC1交流故障及MMC1紧急闭锁退出。最后,基于仿真结果,对上述5种协调控制策略的适用性进行了对比分析。仿真结果表明:策略1和策略3遭受各种故障均能有效穿越;策略2、策略4和策略5在遭受直流线路故障时均发生不同程度的功率倒转,需要采取措施抑制。     

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。     

风电经混合型MMC-HVDC并网的交直流故障穿越策略

为实现内陆大规模风电的可靠并网,采用高压直流输电技术和架空线路进行远距离电能传输是有效的解决方案。由于架空线易发生线路故障,采用具有故障自清除能力的换流器拓扑是主要解决途径之一。采用混合型模块化多电平换流器来进行风电并网,设计了不依赖于换流站间通信的并网系统交直流故障无闭锁穿越策略。系统无闭锁故障穿越期间并网点交流电压可控,风机可维持正常运行。考虑到故障期间风机持续并网输出功率,设计了耗散电阻和与风机内部斩波电阻相配合的策略,以耗散多余的能量。最后,通过PSCAD/EMTDC的多组仿真,验证了并网系统无闭锁穿越交直流故障及快速恢复的有效性。