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。     

基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法

基于模块化多电平变换器（modular multilevel converter, MMC）的DC/DC变换器因其模块化结构,容易实现低中高压之间的电压转换而广泛应用于直流配电网。该文研究了一种基于模块化多电平变换器的电隔离双向DC/DC变换器,根据DAB变换器的典型两电平电压波形,提出了一种基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法,可以在离散水平上产生适应的电压增益,并对MMC桥臂子模块电压平衡关系和能量平衡关系进行了理论分析,最后通过仿真方法验证了所提出的基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法的性能要优于经典能量平衡策略。     

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。     

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。     

新型混合式高压直流输电DC/DC变换器

针对高压直流电网中现有DC/DC变换器拓扑在成本、效率方面的不足,提出了一种基于模块串联技术以及晶闸管、二极管串联技术的混合式DC/DC变换器拓扑,以实现高压直流电网中不同电压等级的互联。对该拓扑结构的工作原理、控制策略、元器件参数设计、经济性等方面进行了全面的分析论证。最后,在MATLAB中进行了仿真,验证了所提DC/DC变换器的可行性。     

宽输入电压的双向DC/DC变换器的研究

为了适应不同光伏发电储能系统直流母线电压,扩宽输入电压范围,设计了一种宽输入电压的双向DC/DC 变换器.该变换器采用级联式拓扑结构,前级由四开关Buck-Boost变换电路构成, 采用脉冲宽度调制的控制策略, 后级由L-LLC谐振变换电路构成,采用脉冲频率调制的控制策略,通过调节前级变换电路的占空比和后级变换电路 的开关频率,达到扩宽输入电压范围的目的.仿真结果表明, 所提出的双向DC/DC变换器的输入电压变化范围为 100~1000V,并具有良好的稳压效果.     

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。     

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。     

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。     

应用于模块化多电平直流变换器的阶梯波调制策略

在直流配电网中,模块化多电平直流变换器MDCC(modular multilevel DC/DC converter)以模块化多电平变换器结构为基础,是实现不同电压等级直流母线电压变换和电能双向传输的核心装置。探讨MDCC的高频链阶梯波调制策略,并采用傅里叶级数建模,可有效简化阶梯波建模和分析过程。此外,阶梯波调制可有效减小高频链电压dv/dt、谐波和无功含量,提升MDCC整体效率,促进MDCC在直流配电网中的应用。     

一种模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略

电气拓扑采用模块化多电平技术的高压大容量DC/DC变换器是构建直流电网的关键装备之一。与柔性直流输电系统中的工频运行工况不同,基于模块化多电平的DC/DC变换器可运行于中/高频。若仍采用工频工况下的最近电平逼近调制策略及电容排序均压,会带来子模块开关损耗大及数字控制系统运算负担重等一系列问题。为此,提出了一种适用于模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略,阐述了基频调制的基本需求及其实现方法,提出了与基频调制相应的电压及电压增量双排序均压策略,并分析了基频调制策略对子模块电容参数设计的影响。通过仿真和实验对提出的基频调制策略和双排序均压算法进行了验证,结果证明该调制策略能有效降低功率器件开关损耗,改善交流输出电压波形的总谐波失真,缓解数字控制系统的运算负担,并与控制策略具有良好的兼容性。     

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。     

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。     

模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究

模块化多电平变换器作为一种新型的多电平拓扑,因为适用于电压源换流型直流输电场合而得到了广泛研究.本文介绍了模块化多电平变换器的拓扑结构和工作原理,并对常用于模块化多电平变换器拓扑的载波移相、最近电平逼近和载波层叠调制策略以及相应的电容电压平衡算法进行了分析,并在PSCAD/EMTDC下搭建了31电平的模块化多电平变换器仿真模型,分别实现了三种调制策略及其电容电压平衡算法,比较了不同调制策略在电压谐波、电容电压平衡、开关频率等方面的表现,并给出了不同调制策略的特点.     

基于变频控制的串联谐振DC/DC变换器的研究

串联谐振DC/DC变换器具有电路结构简单、在全输入和全负载范围内可实现开关管的ZVS、功率转换效率高等优点,是目前开关电源研究的热点之一。本文分析了基于变频控制的串联谐振DC/DC变换器的工作原理,阐明了变换器在三种不同开关频率下的工作特性,定量地给出了不同工作状态下变换器的输入电压、输出电压、开关频率以及谐振电感等参数之间的关系式。在一台1.5KW原理样机上的实验结果表明,该变换器变换效率最高可达96.3%,所有开关管实现ZVS,不同工作状态时变换器输入输出电压等参数关系与理论分析一致。     

谐振式模块化高增益升压型直流变换器北大核心CSCD

高压直流变换器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备之一。然而传统高压直流变换器多存在增益低、装置体积和重量大等不足。提出了一种谐振式模块化高增益升压型直流变换器(resonant modular high-gain step-up DC/DC converter,RMHGDC)拓扑,利用子模块电容与桥臂电感构成串联谐振回路,采用子模块级联结构获得更高的电压增益。在分析RMHGDC工作原理及关键参量数学关系的基础上,提出了一种高增益控制技术,实验结果验证了本文理论分析及控制的可行性和有效性。     

全直流海上风电场高升压比DC/DC变换技术综述

采用直流汇聚、直流传输的全直流海上风电场,可以避免使用笨重的工频交流变压器,在功率密度、建设成本、系统损耗等方面具有较大的优势,因此基于直流汇聚、直流传输的全直流海上风电是目前海上电能传输的研究热点。在全直流海上风电系统中,风机端口电压需进行高变比升压后才能远距离传输,所以高升压比DC/DC变换器是整个风能变换传输系统中的重要环节。首先从变比、容量、故障隔离等角度对适用于全直流海上风电的直流变换器进行需求分析。其次对各种直流变换器的拓扑实现进行总结分类,并指出各种拓扑的优缺点以及应用前景。最后对各种拓扑结构及控制方法进行比较,对未来适用于全直流海上风电场的高升压比直流变换器进行展望。     

考虑不同接线方式的多电压等级直流配电网潮流计算方法

直流配电网潮流分析是直流配电系统设计、运行、维护的基础。传统直流潮流计算方法无法满足控制方式更加灵活、运行方式更加多样、负荷类型更加丰富的多电压等级直流电网的潮流计算需求。为此,提出了在不同接线方式下的多电压等级直流配电网潮流算法,首先考虑AC/DC换流器以及DC/DC直流变换器多种控制方式,建立了统一的潮流控制方程。其次研究了AC/DC换流器及DC/DC直流变换器在不同接线方式下的潮流计算模型并重点分析了不同类型直流负荷在真双极、伪双极网络中的潮流方程的构建方法,进而给出了不平衡网络潮流方程的求解步骤与方法。最后以国家重点研发计划苏州两端电压源变换器(voltage source converter,VSC)多电压等级直流配电网示范工程为算例,验证在不同控制方式下文中所提的多电压等级直流潮流算法的有效性。     

一种适用于多电压等级直流配电网的分散式双向电压支撑控制方法

新能源发电、储能系统、直流负载接入直流配电网,可减少DC/AC转换环节,简化控制,提高系统运行效率,故近些年来直流配电网受到了广泛关注.采用电力电子装置构建多电压等级直流配电网,具有更加灵活的拓扑结构、更加多变的运行形式及更高的供电可靠性,但同时给配电网的稳定高效运行带来了诸多挑战.针对多电压等级直流配电网中子网互联的双向DC/DC变换器,基于变换器两端口电压,提出了一种分散式归一化电压平方差控制方法,结合储能变换器的功率-电压平方下垂控制,实现不同电压等级母线电压控制归一化视角下相等,为各电压等级母线提供不间断的电压支撑,并可使系统在储能切入/切出、电压等级拓展、接入中压直流配电网等多种运行模式间灵活切换.对所提控制方法的可行性与稳定性进行了分析,并基于MATLAB/Simulink对其有效性进行了仿真验证.     

光伏中压直流变换器串联系统控制策略研究

针对光伏中压直流变换器串联系统中光伏发电单元功率失配导致的变换器输出过电压及功率损失问题,分析了光伏直流变换器串联系统运行特性,推导了限电压控制下串联系统光伏功率损失与光伏发电单元功率不均衡度及变换器输出电压限幅值之间的关系;提出了改进型Boost全桥隔离功率模块拓扑及其调制策略,基于功率模块输入并联输出串联形成模块级联型直流变换器,通过占空比灵活调节,实现直流变换器宽输出电压范围运行,解决直流变换器调压能力不足导致的功率损失问题;针对光伏直流变换器串联系统复杂运行工况,提出了串联系统直流变换器自适应电压分段式控制策略,实现了串联系统直流变换器多模式自适应稳定运行。研制了3kV/80kW功率模块及20kV/500kW光伏中压直流变换器,基于3台直流变换器输出串联实现了光伏中压直流变换器串联升压并网系统实证应用,现场实验结果验证了所提直流变换器拓扑方案的可行性与控制策略的有效性。