分频风电汇集系统的九边形变换器及三端口功率控制研究

分频输电海上风电汇集输送具有经济技术优势而受到广泛关注,其核心装置为交交变频器,每个工频与低频的输电回路均需要一组高压大容量的级联型变换器。为了提高拓扑的复用度,减少装置体积,并降低器件使用数量,提出一种将各自独立的变换器以器件复用的形式集成为1个三端口九边形变换器。根据其拓扑的数学建模,分析桥臂的功率特性,提出对应的控制策略以实现3个端口能量交互,与变换器互联的3个端口的能量通过桥臂环流传递能量,桥臂功率控制抑制其功率常量保证了变换器的正常运行,端口功率控制使风电场能量回馈电网。最后,在RT-LAB仿真平台验证集成拓扑的可行性与控制策略的有效性。     

基于电力电子变压器的中压直流互联配电网协调控制方法

多端口电力电子变压器(PET)作为柔性互联配电网关键装备,其端口解耦控制与区域协调控制是保证跨区域互联系统安全稳定运行的关键技术之一.文中以基于隔离型模块化多电平变换器(I-M2C)的多端口PET作为关键装备提出一种依靠中压直流(MVDC)馈线互联的柔性配电网架构.首先,分析基于MVDC馈线跨区域互联配电网方案的技术特点,建立基于双调制自由度的I-M2C型PET端口数学模型.然后,根据端口数学模型及不同稳态运行模式需求提出各端口基于双调制自由度的解耦控制方法.同时,介绍了跨区域互联模式下区域间主从控制策略,总结了柔性配电网在各工况下的运行模式.最后,通过MATLAB/Simulink搭建了10 kV仿真系统模型,验证了MVDC互联的柔性配电网协调控制策略的有效性与可行性.     

双电机异步驱动的三端口级联多电平变换器及再生能量分配系统

为解决工业现场多电机运行及再生能量利用问题,提出一种可同时驱动双电机异步运行的三端口级联多电平变换器拓扑及控制系统。将传统H桥级联多电平变换器与六边形变换器拓扑结合构成一个三端口AC/AC/AC结构。其中,H桥级联变换器每单元前端通过移相变压器接入电网,作为输入端口;六边形拓扑相邻顶点则构成两交流输出端口。采用恒压频比控制,结合功率分配分析,分别给定两输出端口控制信号,驱动双电机异步运行。六桥臂可等效为两组耦合三相对称电源,将一台电机再生能量转移供给另一台电机的电动运行,以此提出新的能量流动路径,降低单元直流侧电容电压泵升。以12单元6桥臂的三端口级联多电平变换器为例,通过Matlab仿真及实验结果验证了该拓扑及控制策略的可行性和有效性。     

基于储能型柔性多状态开关的直流微电网与交流配电网柔性互联策略

柔性多状态开关大多采用"刚性"的变流控制策略,导致其端口惯性与阻尼不足,直流微电网通过其接入时难以与交流配电网进行柔性互联,无法响应交流配电网调频调压.为此,提出一种基于储能型柔性多状态开关的直流微电网与交流配电网柔性互联策略,交直流端口统一采用虚拟电机控制,通过模拟电机的惯性和阻尼特性使交直流端口呈现柔性特性,同时针对馈线负荷不均衡问题提出一种考虑直流微电网功率交互的负荷均衡策略.仿真结果表明,所提策略能够降低直流微电网波动对交流配电网的冲击,增强直流母线电压的稳定性,主动响应交流配电网调频调压,实现了馈线负荷均衡,提升了柔性多状态开关的调控灵活性.     

基于准Z源网络的高增益模块化多电平谐振直流升压变换器EI北大核心CSCD

针对目前模块化多电平直流变换器(modular multilevel DC-DC converter,MMDC)在工程应用中轻型化、高增益等需求,该文提出一种适用于中小功率新能源接入场合和柔性直流输电系统的单向非隔离型高增益谐振MMDC拓扑及其调制与控制策略。其子模块电容和桥臂电感发生串联谐振,工作在谐振状态。所提变换器特点在于:1)由准Z源网络、上桥臂和下桥臂三部分组成,正常运行时,上、下桥臂投入子模块数恒定,以保证高压直流侧输出电压的稳定;2)结合提出的子模块交替投切调制策略,可实现子模块电容电压自均衡;3)变换器下桥臂大功率子模块可实现软开关运行,具有较小的开关损耗及电磁干扰。详细分析所提变换器的拓扑结构、工作模态、功率流动、控制和参数设计,仿真和实验结果验证所提变换器拓扑和控制算法的有效性。     

串并联型多端口配电网柔性互联开关

分布式能源渗透率的提高、电动汽车的大范围普及和用户负荷的多样化发展,给配电网带来电压越限、馈线过载和双向潮流等问题。利用柔性互联开关替代传统联络开关,可有效地增强配电网的灵活调控能力。此外,在配电网多网孔化的发展趋势下,对低成本、易扩展的多馈线柔性互联技术需求日益增加。然而,目前采用的柔性互联方案多为背靠背全功率型拓扑结构,成本高、体积大,不利于规模化推广应用。该文提出一种串并联型多端口柔性互联开关(series-shunt multi-port flexible interconnection switch,S²-MFIS),可实现多条互联馈线间的有功潮流调控及无功功率解耦支撑,且具备低成本、模块化和端口可灵活扩展等优点。首先,阐述S²-MFIS的潮流调节原理,并提出馈线潮流控制策略。其次,建立S²-MFIS内部能量平衡机制,提出电压恒定控制策略。接着,针对S²-MFIS拓扑结构,给出主回路关键参数设计方法,并就器件数量、器件参数等方面与背靠背全功率型拓扑方案进行对比。最后,通过仿真与小功率样机,...     

面向配网多馈线互联的柔性多状态开关拓扑选型分析

柔性多状态开关(flexible multi-state switch,FMS)是采用电力电子技术的新型智能配电设备,有助于解决配电网馈线功率失衡、电压波动越限等问题。多端FMS能够实现多条馈线柔性互联,其拓扑选型对设备的经济效益、联接限制等方面均有重要影响。文中以应用于中压配电网的三端FMS拓扑为例,就拓扑结构、性能和应用场景进行探索。重点针对模块化多电平变流器拓扑、九桥臂变流器拓扑和桥臂分叉变流器拓扑,分析各拓扑运行特性,并计算对应的核心参数、运行损耗和运行范围,进而得出各拓扑建设成本、占地空间、运行效率和潮流调节能力等指标的对比结果。最后,给出三种拓扑所适用的场景,为配网系统中多端FMS拓扑的选取提供建议。     

具有故障隔离能力的柔性多状态开关拓扑及控制技术研究

交流配电网普遍存在闭环设计、开环运行的现象,导致负荷转供速度慢,馈线功率不均衡。同时直流负荷的增加以及新能源渗透率的提高给配电网运行控制带来了新的挑战,要求配电网具备更强的潮流调节能力。为解决上述问题,研究了用于配电网馈线互联的柔性多状态开关(Soft Multi-State Open Point, SMOP)技术,提出基于双钳位子模块(Double Clamp Sub-Module, DCSM)的四端口模块化拓扑结构。基于其数学模型分析,确定了各端口的运行范围,设计控制系统结构并提出自愈控制策略。最后基于PSCAD搭建了四端口柔性多状态开关仿真模型,验证了所提拓扑及控制策略的有效性。     

磁集成三端口电力电子变压器的改进控制方法

针对现有多端口电力电子变压器磁性元件体积大、功率变换单元多、成本高的问题,提出基于磁集成的三端口拓扑及控制策略。将传统拓扑的6个桥臂电感和大量的高频变压器集成为3个集成变压器,从而减小磁性元件体积。在变压器副边绕组接1个三相桥即可构建低压直流端口,极大地减少功率变换单元数目。利用桥臂电压的直流、工频和高频分量分别控制中压直流、中压交流和低压直流端口功率,实现多端口功率调控。为提高中压直流端口电能质量,将桥臂电压的高频分量设计为三相对称的六阶梯波,使其激发的电流分量在三相回路中相互抵消,从而实现中压直流端口高频电流纹波消除。最后,建立了4 MW仿真模型进行验证,结果证明了所提拓扑和控制策略的有效性。     

半/全桥混合型DC Chopper拓扑及其控制策略

DC Chopper能在海上风电柔性直流输电系统主网侧发生短路故障时耗散系统的盈余功率,并实现故障穿越.针对全桥型集中式模块化DC Chopper使用IGBT和二极管数目多的问题,提出了一种半桥/全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑.该拓扑采用半桥子模块替换桥臂中一部分仅起到电压支撑作用的全桥子模块,并根据桥臂电流单向性的特点,省略掉子模块中部分IGBT,仅保留其反并联二极管,大幅降低了设备的成本.在此基础上,针对现有的集中式模块化拓扑控制策略精确度低的问题,进而提出了一种利用方波正半波幅值调节耗散功率、利用占空比平衡桥臂能量的控制策略,实现了对耗散功率和桥臂能量的精确控制.在Matlab/Simulink中开展了海上风电柔性直流输电系统故障穿越的仿真研究,验证了所提出的DC Chopper拓扑及控制方案具有良好的故障穿越效果.     

交流配电网中柔性直流互联装置阻抗稳定性分析及阻抗协同重塑控制

对于交流配电网中的柔性直流互联装置,当功率方向变化时,负阻抗会随之在装置内定功率控制换流器的直流侧和交流侧进行转移,降低了系统稳定性.针对此问题,提出了一种阻抗协同重塑控制策略.首先,介绍了配电网中柔性直流互联装置的结构;其次,分别建立了装置内两侧换流器多个端口阻抗在功率双向传输下的小信号模型,探究其阻抗特性;然后,对所提控制策略的工作原理进行了分析,且对重塑后的阻抗进行了建模,对比分析了阻抗重塑前后系统的稳定性;最后,通过MATLAB/Simulink仿真模型和实验平台对所提控制策略的有效性进行了仿真和实验验证,结果表明所提方法通过协同作用可将直流侧和交流侧的负阻抗均重塑为正阻抗,从而能同时改善换流器两侧的稳定性.     

改进型Zeta式三电平AC/AC变换器

为进一步提高高压电能变换领域输出波形的质量,基于多电平技术的相关原理,提出了无中间直流环节的改进型Zeta式三电平AC/AC变换器,进一步介绍了该变换器的电路结构、电路拓扑和高频控制策略。利用仿真软件Pspice建立了改进型Zeta式三电平AC/AC变换器的电路仿真模型,给出了该变换器闭环控制的主电路图,对其进行了闭环控制仿真验证,得出了闭环控制电路各部分的输出波形,并在输入端交流信号波动的情况下测试了输出端的稳压性能。结果表明:该改进型Zeta式三电平AC/AC变换器的拓扑结构简单,设计原理正确,控制方法简单可行,有较好的稳压功能。     

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。     

新颖的Buck-Boost高频环节AC/AC变换器

提出了Buck-Boost高频环节AC/AC变换器电路拓扑，该电路拓扑由输入周波变换器、高频储能式变压器、输出周波变换器构成。分析研究了该变换器工作模式和电压瞬时值反馈控制策略。理论分析和试验表明，该变换器具有两级功率变换(LFAC，HFAC，LFAC)、双向功率流、网侧电流波形可得到改善、负载适应能力强、音频噪音小等优点。     

基于三端口双向DC/DC变换器的高增益组合式交直流变换器

储能系统是保证新能源供电系统、微网及大电网安全、稳定、可靠运行的关键。为了应对储能电池电压低对双向交直流变换器电压增益和效率等带来的挑战,提出了一种基于高增益比三端口双向DC/DC变换器的组合式双向交直流变换器。基于交流侧电压周期性波动的特点,利用三端口双向DC/DC变换器同时提供高压母线端口和低压母线端口,使得部分功率仅需经过低电压增益直流变换环节处理,为高增益高效率双向交直流变换提供了有利条件。详细分析了双向组合式交直流变换器的系统架构和工作原理,给出了前后级变换器的调制和控制策略,并分析了组合式交直流变换器的功率传输特性。最后,通过实验结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

基于直接式AC/AC变换的两相支撑调控型混合配电变压器

针对配电网中不确定性因素导致的电压跌落/骤升给敏感负荷带来的不利影响,提出了一种基于直接式AC/AC变换的两相支撑调控型混合配电变压器(HDT)。该HDT由直接式AC/AC变换器与传统工频变压器组合而成,能够根据负荷需求进行电压幅值与相角的柔性调控。对所采用的直接式AC/AC变换器拓扑及其调制策略进行了阐述分析。在此基础上,提出了基于直接式AC/AC变换的HDT系统结构。依托HDT系统结构,对其工作原理进行了详细分析并对HDT系统的电压幅值与相角调控范围进行了定量研究。最后通过搭建1 kW的实验原理样机,对所提出的HDT系统理论分析的正确性与有效性进行了实验验证。     

交直流混合微电网互联变换器功率流动的柔性控制策略

针对交直流混合微电网系统间功率动态平衡以及分布式电源利用率不高的问题,提出一种适用于混合微电网互联变换器功率流动的柔性控制策略,所提策略无需通信且可灵活分配功率。首先,对交流子微电网与直流子微电网所连分布式电源采用的下垂控制方式进行详细的分析。然后,针对互联变换器需维持交流微电网侧频率与直流母线电压的稳定以及功率双向传输的特点,对混合微电网交直流接口的虚拟惯性进行分析,推导出交流频率与直流电压之间的线性耦合关系,以实现交直流两侧功率的相互支撑。最后,在DIgSILENT软件上建立典型的交直流混合微电网模型,验证了所提互联变换器功率控制方法的有效性。仿真结果表明,在离网情况下采用所提控制策略时,互联变换器可较好地维持交直流两侧功率平衡并提升电能质量,充分利用了分布式电源的功率调节能力。     

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。     

Single-stage AC–AC power conversion for WECS

This paper investigates a novel single stage AC–AC power conversion, as an alternative to multistage AC–DC–AC power conversion topology, for interfacing the wind energy conversion system (WECS) to a grid as a distributed load system. A comprehensive dynamic model of proposed AC–AC converter is developed to satisfy all the functions of the converter. A new time switching pattern and a control mechanism are described to convert a variable frequency input power proportion to the wind power to a constant frequency output power for a distributed load system in a single unit. The converter control functions are adapted to control active and reactive powers injected into the distributed load system. Based on time-domain simulations in the MATLAB environment, a comparative study has been made of the dynamic behavior of wind turbine generation system with the proposed AC to AC converter and conventional AC–DC–AC converter. The study concludes that an AC–AC converter is technically a viable option to interface a wind turbine to a distributed load system or utility grid application. A prototype of the proposed converter is developed in the lab taking variable frequency input voltage and then converting it to a constant output frequency voltage. The performance of the converter has been found satisfactory.     

计及柔性直流装置的交直流配电网保护控制研究

交直流混合配电网可更好地接纳分布式电源和直流负荷,缓解城市电网站点走廊有限与负荷密度高的矛盾,已成为现代城市配电网的一个重要发展趋势。接入柔性环网控制装置后,配网由单端电源供电网络变为多端电源供电网络,其可靠性面临新的挑战。通过对交直流混合配电系统的故障特点进行总结,分析接入柔性直流控制装置后柔直侧及系统侧的保护影响,提出基于时序配合的智能装置协同控制架构。利用柔性电力电子器件的快速响应特性,设计柔性直流控制装置与交流保护控制装置配合的保护控制策略。在GOOSE有向节点及快速通信机制的作用下,运用保护控制协同策略进行故障定位及隔离,有效地增强了含柔性互联装置的交直流混合配电网可靠性,具有工程实用价值。