具备故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器

高压大容量DC/DC变换器作为未来直流电网中的关键设备,近年来成了国内外关注的热点。文中通过将晶闸管和半桥子模块进行有机组合,提出了一种混合式DC/DC变换器拓扑,通过闭锁子模块和晶闸管实现高低压侧短路故障阻断功能,且具有成本低、效率高的优点。对该拓扑结构的工作原理、故障保护机制、控制策略、参数设计和经济性等方面进行了分析论证。最后,搭建了MATLAB/Simulink仿真模型,仿真结果验证了该拓扑和控制策略的可行性。     

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...     

具有短路限流能力的大变比DC/DC变换器

提出了一种具有短路自动限流和功率双向流动特性的大变比DC/DC变换器,该变换器适合作为接口电路用在高、低压直流线路之间。该DC/DC变换器以三电平方式工作,通过调节占空比和相移,可以改变其传输功率,并且可以实现功率的双向流动;电路以梯形波电流工作,实现了部分软开关,效率较高;在发生直流短路的情况下,流过开关管的电流峰值与正常工作时相等,实现了自动的短路保护。基于以上特点,设计了一个输入电压为12 kV、输出电压为1 kV、传输功率为100 kW的变换器,通过仿真研究验证了理论分析的正确性。     

一种新型的高压直流输电技术——MMC-HVDC

介绍了模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)的基本结构、工作原理和技术特点,比较了MMC-HVDC相对于电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)的优势;对MMC-HVDC目前在国内外的研究进展和工程应用情况进行了回顾,分析了MMC-HVDC技术的不足之处和未来发展中可能的重点方向,包括主电路拓扑的相关问题研究、系统设计、故障保护、接地、谐波和损耗等,指出目前研究所采用的MMC-HVDC分析模型精度较低;因自身拓扑限制,目前成熟的VSC-HVDC控制方法无法直接用于MMC-HVDC;MMC-HVDC拥有较强的故障保护能力,当前研究着重于故障仿真分析,亟待探讨适合工程应用的保护策略;由于直流侧无需安装高压电容器组,MMC-HVDC接地实现困难;由于MMC-HVDC子模块数较多,采用较低的开关频率可得到较好的输出电压波形,使得系统损耗大幅降低;最后探讨了适合我国国情的MMC-HVDC工程实践。     

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。     

基于混合式MMC的混合高压直流输电系统启动策略

针对与有源系统相联的混合直流输电系统,以全桥子模块和半桥子模块混合的模块化多电平换流器(MMC)为例,详细分析了其预充电启动过程,给出了每个阶段直流电压的一般数学表达式,从数学上证明了其与半桥子模块或全桥子模块构成的MMC的内在联系。分析了基于全桥子模块和半桥子模块混合的MMC在不同混合比例下其预充电过程中可能存在的过压或欠压问题,提出了5种解决措施。同时就混合直流输电系统运用于向无源系统供电和作为"黑启动"电源的应用场合,分析了其预充电启动过程,并提出了具体实现方法。最后通过PSCAD/EMTDC对相关分析进行了仿真验证。     

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。     

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。     

电压源换流器高压直流输电换流阀的试验方法

对柔性直流换流阀进行型式试验可保证其安全可靠运行,型式试验通常采用等效试验的方法。介绍了串联阀和模块化多电平换流器阀2种柔性直流换流阀的结构,指出阀试验方法研究应包括试验对象分析、应力分析、应力数学模型的建立、试验要求及试验内容分析、等效试验方法研究等,并针对上述2种柔性直流换流阀试验方法的各项内容进行了研究,以期为可关断器件阀等效试验的理论研究奠定基础。     

面对面式DC/DC互联LCC-HVDC的潮流控制

结合中国高压直流输电现状和直流电网技术的发展,提出了利用面对面式DC/DC变换器互联不同电压等级的基于电网换相换流器(LCC)的高压直流(LCC-HVDC)系统的方案,总结了互联系统的优势并提出了一种依赖通信的适用于互联系统的控制器。基于两条实际LCC-HVDC线路背景,在PSCAD/EMTDC中搭建了利用±500 kV/±800 kV,1 000 MW面对面式DC/DC互联一条±500 kV,3 000 MW线路和一条±800 kV,7 200 MW线路的仿真模型。仿真结果说明,常规LCC控制不适用于互联系统,且验证了提出的控制器的有效性。所述控制器可在对原有LCC换流站控制改动最小的前提下实现互联系统的稳定运行。     

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。     

含多端柔性直流输电系统的交直流电网动态特性分析

根据半桥式模块化多电平换流器(MMC)的数学模型和控制策略,搭建出基于PSCAD/EMTDC的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)仿真模型.设计了适合于交直流耦合电网的MMC-MTDC多级控制系统,包括阀组级控制器、换流站级控制器和系统级控制器,并进行了交直流电网暂态稳定分析.在建立的仿真系统中模拟交流电网事故、直流线路故障、冲击负荷等多种苛刻运行条件,以校验MMC-MTDC接入交流电网后的动态响应特性.仿真结果表明:各级控制器间的相互配合使得所构建的MMC-MTDC在交流电网故障情况下具备送端转移的能力;系统在任意一端换流站故障退出后仍具备稳定运行的能力;在MMC-MTDC发生直流线路故障退出运行后,交流电网仍能保持稳定运行.     

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。     

基于MMC的柔性直流输电换流阀型式试验方案

为了保证柔性直流输电工程的可靠运行,在投入运行之前必须通过一系列试验来考察换流阀的安全可靠性,这就需要制定一套科学全面的型式试验方案来验证考核换流阀设计的正确性.针对模块化多电平换流阀(modular multilevelconverrter,MMC)的结构和工作原理,参考相关标准,以南澳多端柔性直流输电工程为例,研究提出了详细的MMC的型式试验方案,该方案能够较全面地验证基于MMC拓扑结构的换流阀及其相关电路设计的正确性.     

双极MMC-HVDC系统直流故障特性研究

直流故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)的主要故障类型,目前国内外对于MMC-HVDC直流侧故障的研究主要集中于伪双极系统,而对于真双极系统直流侧故障的研究还处于起步阶段。首先,介绍真双极MMC的拓扑结构和工作原理,并根据实际交直流系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制,建立真、伪双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流故障状态下的对应等效电路。然后,对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径,重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异,并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系。最后,基于RT-LAB仿真平台,搭建51电平双极MMCHVDC双端直流输电模型,仿真结果证明了直流故障特性研究方法的正确性。     

混合直流输电系统直流故障处理策略比较分析

基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)以及模块化多电平换流器(modular multilevel converter,M M C))的混合型高压直流输电技术是实现远距离大容量输电的有效技术手段。为了快速清除直流短路故障,主要有2种实现方法:一是逆变侧换流器采用具有直流故障自清除能力的子模块,如全桥型子模块及箝位双子模块;二是在逆变侧直流出口加装大功率二极管以切断故障后的电流流通通路。该文通过研究不同直流故障处理策略的物理机理及控制流程,对其可行性及适用性进行深入研究。通过在PSCAD/EMTDC中搭建典型模型,考察直流故障下的系统响应特性,对不同处理策略下的系统暂态特性进行综合比较。最后,对基于全桥型子模块的不闭锁穿越式直流故障处理策略进行了仿真验证,仿真结果表明此种策略不适用于真双极直流系统,无法实现直流短路故障的有效清除。     

模块化多电平HVDC输电系统功率运行区间的优化方法

相比于两电平VSC-HVDC输电系统,模块化多电平HVDC 输电系统功率运行区间的确定还需考虑子模块电容电压波动这一因素。分析子模块电容电压与功率运行点之间的关系,并确定以子模块电容电压波动范围、最大调制比以及换流阀通流能力为约束条件的系统功率运行区间。在此基础上,提出三倍频调制电压注入和子模块电容电压基值调整两种功率区间优化方法,并设计用于抑制二倍频负序、四倍频正序相间环流的环流控制器和子模块直流电压基值控制器。非线性优化计算结果表明,通过配置合理的优化参数,系统功率运行区间显著扩大。基于 PSCAD/EMTDC,针对典型功率运行点进行仿真分析,验证了理论分析及控制策略的正确性。