可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段,近些年获得了快速发展。DC/DC变换器作为直流电网中电压变换和隔离直流侧故障的关键设备也日益受到关注。提出了一种适用于直流电网的可隔离直流故障的新型DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,同时提出了其故障隔离策略。对比该拓扑与半桥式DC/DC变换器的技术性和经济性差异发现,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,提出的DC/DC变换器方案不仅可以更快地切除故障线路,还减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。在PSCAD/EMTDC中,针对两个直流电网的典型场景,进行了直流双极短路故障仿真。仿真结果表明,所提出的拓扑具备直流故障穿越能力,非常适用于大规模直流电网系统。     

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。     

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。     

一种适用于智能配电网的DC/DC换流器拓扑及其控制策略

由于智能配电网的高故障率特性以及城市土地资源的限制,DC/DC换流器的体积、成本、效率、控制性能和故障穿越能力逐渐成为其在该领域内的限制因素。为此,提出了一种基于电流源换流器（current source converter,CSC）和电压源换流器（voltage source converter,VSC）的混合DC/DC换流器拓扑,提出的换流器拓扑采用高频交流链路,分析了换流器的数学模型和运行约束条件,给出了换流器的参数设计方法。提出了一种换流器CSC侧采用有功功率和无功功率双闭环控制,VSC侧交流电压幅值单闭环控制的DC/DC换流器闭环控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了1 MW/2 000 V/750 V混合DC/DC换流器仿真模型,分别对额定运行工况、功率反转工况和直流短路工况进行了仿真研究。仿真结果验证了提出的混合DC/DC换流器工作性能优越且具备直流短路故障穿越能力。     

适用于直流电网的LCL谐振式模块化多电平DC/DC变换器

针对直流电网中不同电压等级线路的直流互联需求,结合隔离型模块化多电平DC/DC变换器和绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)直串型LCL-DC/DC变换器的拓扑优点,提出了一种LCL谐振式模块化多电平DC/DC变换器拓扑。首先,介绍了该变换器电气拓扑,并分析了其工作原理,包括运行方式、功率传递机理等;其次,从功率传递和谐波抑制等角度提出了该变换器中LCL谐振网络的参数设计方法;然后,提出了适应于该变换器的控制保护策略,保证在不同功率传递下实现两侧模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的零无功传输以及直流故障电流的迅速抑制;最后,在Matlab/Simulink中对所提拓扑及其控制保护策略进行了仿真验证。结果表明:根据LCL设计方法得到的电气参数能够满足装置的控制需求,所提控制策略在潮流反转、输入电压突变等工况下具有较好的静态和动态性能,且保护策略能够抑制直流侧的短路故障电流。     

采用混合子模块的四端口模块化多电平DC/DC变换器

随着电网中可再生能源的大规模接入以及高压直流输电技术的发展,高压大容量DC/DC变换器成为不同电压等级直流电网互联的关键。为解决多端高压直流电网互联的问题,本文以四端直流电网互联为例,研究了四端口模块化多电平DC/DC变换器。针对常规半桥子模块不能实现直流侧短路故障阻断的问题,本文提出交叉连接双半桥子模块与三电平双半桥子模块混合的模块化多电平DC-DC变换器方案,该方案能有效阻断直流故障,且具有较好的经济性。进一步地,给出了采用混合子模块方案的简化模型,用于子模块数量众多时变换器在正常工况以及故障工况下的仿真。最后,通过Matlab/Simulink对所提出的混合子模块四端口模块化多电平DC/DC变换器进行了仿真验证,证实了所提方案的可行性以及简化模型的正确性。     

自适应下垂控制的三电平DC/DC并联均流方法研究

分析传统下垂控制的三电平DC/DC变换器多模块并联均流电压偏差较大,且各并联模块功率不均分的原因,提出了一种自适应下垂控制的三电平DC/DC变换器多模块并联均流控制方法。通过实时采集各并联变换器的电压和电流,建立变换器下垂系数与负荷功率之间的数学模型,自适应调整下垂系数使直流母线电压跟随给定值。构建直流微电网仿真模型,在相同工况下利用MATLAB/Simulink软件平台,仿真分析传统下垂控制和自适应下垂控制对三电平DC/DC变换器多模块并联直流母线电压降落和功率分配进行对比分析,验证了自适应下垂控制对三电平DC/DC变换器多模块并联的可行性,实现了不同额定功率的三电平DC/DC变换器间的“功率均分”,同时极大的改善了由于线路阻抗导致的电压降,提高了直流母线的电能质量。     

自适应下垂控制的三电平DC/DC变换器并联均流方法研究

分析传统下垂控制的三电平DC/DC变换器多模块并联均流电压偏差较大,且各并联模块功率不均分的原因,提出了一种自适应下垂控制的三电平DC/DC变换器多模块并联均流控制方法。通过实时采集各并联变换器的电压和电流,建立变换器下垂系数与负荷功率之间的数学模型,自适应调整下垂系数使直流母线电压跟随给定值。构建直流微电网仿真模型,在相同工况下利用MATLAB/Simulink软件平台,仿真分析传统下垂控制和自适应下垂控制对三电平DC/DC变换器多模块并联直流母线电压降落和功率分配进行对比分析,验证了自适应下垂控制对三电平DC/DC变换器多模块并联的可行性,实现了不同额定功率的三电平DC/DC变换器间的"功率均分",同时极大地改善了由于线路阻抗导致的电压降,提高了直流母线的电能质量。     

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。     

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。     

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modular multilevel DC/DC converter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。     

基于PLECS的双向DC/DC变换器控制策略设计

用于连接不同电压直流微网间的双向DC/DC变换器,能够实现直流微网间能量双向流动,有利于直流微网内部能量的消纳利用。分析了用于连接不同电压直流微网间双向DC/DC变换器的工作原理,提出了一种改进PI控制新策略,并通过小信号建模分析了该控制策略的稳定性,利用PLECS仿真验证了该控制策略的有效性。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

基于多重化DC/DC变换器的储能变流器研究

为了满足越来越大的储能系统规模对大功率储能变流器的需求,将多重化DC/DC变换器引入储能变流器的拓扑结构。对多重化DC/DC变换器的电流纹波及谐波特性的分析表明其具有显著优势。储能变流器的控制策略加入基于直流母线电压的下垂控制。对所研究的储能变流器拓扑结构及控制策略进行仿真并搭建样机。仿真和实验结果表明,所设计的基于多重化DC/DC变换器储能变流器性能具备大功率充放电的功能并且性能优良。     

全桥隔离DC/DC变换器的直接功率控制方法

以无工频变压器电力牵引传动系统为应用背景,对其中的全桥隔离DC/DC变换器开展研究。在电力牵引传动系统中,单相网侧脉冲整流器直流输出电压中含有二倍电网频率的电压脉动,该二倍频脉动可能会引起电机中的拍频现象。因此,为减小该二倍频电压脉动对DC/DC变换器输出电压的影响,研究全桥隔离DC/DC变换器在输入电压动态变化时的高性能控制方法非常必要。为提高全桥隔离DC/DC变换器在输入电压脉动以及突变情况下的动态响应性能,基于单相移控制方法,提出了一种直接功率控制方法,并进行了详细的分析。最后,基于RT-LAB和赛灵思XC3S500E的半实物仿真平台和基于TMS320F28335控制器的实物实验平台对所提出的控制方法进行验证,半实物仿真和实物实验结果表明:在输入电压突变、输入电压含有脉动和波动的情况下,该直接功率控制算法能有效提高输出电压的动态性能,减小输入电压扰动对输出电压的影响。     

基于隔离型DC/DC变换器的直流环网故障主动保护研究

在当前重要的中低压直流配电系统中,均采用两套独立的直流系统对设备进行供电,而直流环网故障则会导致两套系统发生一定的电气连接,严重危害了直流系统中的运行设备。针对直流环网故障,文章提出了一种基于隔离型DC/DC变换器的主动保护方案,即将变换器自身的结构优势应用在了直流系统的保护技术上,实现了对环网故障一系列的主动处理。该文首先阐述了环网故障的形成原因与危害,之后详细说明了主动保护的实现原理,分析了并联式变换器模块的控制策略,并且给出了环网故障的主动检测方案,最后通过仿真验证了该主动保护方案拥有良好的供电可靠性和故障隔离功能,最大程度保证了直流系统的安全运行。