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。     

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。     

基于模块化三电平方式的中压直流配电网DC/DC换流器设计

中压直流配电网与直流负荷、直流微电网的互联是实现直流配电网的关键,这将迫切需要一种适应于中压和低压大跨度变比的直流变压器(即DC/DC换流器)。三相双主动全桥(dual-active bridge,DAB)换流器具备可隔离、可实现双向功率流动、滤波器体积小等优点,该文基于三相DAB换流器拓扑,结合中压直流配电网DC/DC换流器高压侧电压应力大、低压侧电流应力大等特性,设计了一种基于三电平方式的DC/DC换流器模块,进而采用输入串联、输出并联的模块化级联方式设计了中压直流配网DC/DC换流器。最后,提出了换流器模块高、低压侧协调控制方式以及模块化DC/DC换流器的输入电压均分、输出电流均分控制方式,并在MATLAB/Simulink里验证了其可行性。     

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。     

基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统故障分析

作为模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的一种,钳位双子模块(ClampDouble Sub-module,CDSM)型MMC具有直流故障自清除能力。但基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统,在直流故障特性等方面与其他类型MMC构成的直流系统存在较大差异。为此,首先分析了联接变压器不同接地方式下的电容放电回路,阐述了直流故障对交流侧的影响。其次,在CDSM故障闭锁情况下,划分了MMC换流器端单极接地和极间短路时的故障阶段,建立各阶段的等值模型并求解。阐述了DC/DC换流器及光伏电源对极间短路故障回路的影响,并对DC/DC换流器侧的暂态过程进行了分析。最后,在PSCAD/EMTDC中建立基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统模型,验证了分析结果的正确性。     

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。     

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。     

具有直流故障自清除能力的新型MMC子模块及其混合拓扑

针对传统半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)在高压大功率领域不能通过换流器自身控制来实现直流故障的阻断问题,提出一种新型的类半桥型(Similarity Half Bridge Sub-Module,SHBSM)子模块拓扑结构。直流侧发生极间短路故障时,需同时闭锁所有IGBT脉冲信号。为降低IGBT触发一致技术要求,进一步提出一种类半桥-半桥混合型子模块,无需所有IGBT同时闭锁。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的类半桥型子模块,类半桥-半桥混合型子模块MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。相比于传统半桥型子模块MMC,类半桥型子模块MMC以及半桥-半桥混合型子模块MMC均无需增加IGBT的投入,即可以实现对直流侧故障电流的有效阻断,因此,具有较好的应用前景。     

具备无闭锁穿越直流故障能力的直流自耦变压器

首先,分析了目前直流自耦变压器技术的特点及其缺陷所在,针对目前直流自耦变压器无法穿越直流故障的问题,分析了直流自耦变压器穿越直流故障的需求,在其基础上结合混合型模块化多电平换流器的特点,设计了具备无闭锁可穿越直流故障的直流自耦变压器子模块数目配比。其次,设计了该变压器的控制策略,保证其在正常工况和故障工况下的稳定运行。最后,在PSCAD/EMTDC下搭建了测试系统,验证了所提无闭锁穿越直流故障直流自耦变压器技术的可行性及控制策略的有效性。     

一种能够阻断直流故障电流的新型子模块拓扑及混合型模块化多电平换流器

针对常规半桥型模块化多电平换流器无法隔离直流故障电流的问题,提出一种新型的应用于模块化多电平换流器的自阻型子模块拓扑,并列出自阻型子模块的4种结构。这4种类型的自阻型子模块在隔离直流故障电流时,需要同时闭锁IGBT的触发脉冲。为了降低触发同时性的要求,进一步提出无需同时闭锁IGBT触发脉冲的2种增强自阻型子模块拓扑。模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)的全部子模块采用增强型子模块时所使用的电力电子器件较多,为了进一步减少MMC中电力电子器件的数量,提出一种由增强型子模块和常规半桥子模块构成的混合型MMC。PSCAD/EMTDC下的仿真研究表明,所提出的自阻型子模块、增强型子模块及混合型换流器能有效隔离直流故障。相比于常规半桥型MMC,该混合型MMC仅需提高25%的IGBT即可具备隔离直流故障电流的功能,因此具有良好的工业应用价值。     

基于混合旁路MMC-HVDC直流故障隔离技术研究

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在直流电网中具有较大的应用潜力。当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有最佳经济效益,但缺乏直流故障清除能力。针对柔性直流架空线路频发的瞬时性直流故障,本文提出了一种模块化多电平混合旁路直流故障隔离方案。当直流侧发生故障时,导通旁路晶闸管,利用避雷器去除桥臂剩余电流并用快速机械开关迅速隔离直流线路。混合旁路故障隔离方案能够快速隔离换流站与直流线路,并可以在隔离后迅速起动换流器做STATCOM运行。通过在PSCAD/EMTDC建立双端柔性直流输电仿真模型。     

电力电子变压器用混合三电平双向DC/DC功率模块设计

高压隔离双向DC/DC变换器模块是电力电子变压器电压隔离和变换中的主要环节。为提升模块高压侧直流工作电压,减少模块级联数量,降低功率变换部分的占地尺寸和控制复杂度,采用混合三电平拓扑设计电力电子变压器功率模块。分析混合三电平双向DC/DC变换器的工作原理,对电路中的主要参数进行设计,并基于SiC功率器件完成了样机的设计,最后对样机进行了试验验证。试验结果表明,混合三电平双向DC/DC变换器工作特性与传统全桥双向DC/DC变换器一致,效率最高达到98.7%。三电平双向DC/DC变换器以较低成本和控制复杂度,提高了子模块高压侧直流工作电压,使电力电子变压器系统功率模块数量减半,有效降低了电力电子变压器的尺寸。     

电力电子变压器

正电力电子变压器是由高频变压器和AC/DC, AC/AC,DC/AC等电力电子变换环节构成的新型设备,通常其高压、低压侧均提供交流、直流端口,可实现电能的多向流动。电力电子变压器不仅具有传统铁芯式交流变压器全部功能,还可实现交流侧无功功率补偿、谐波治理、新能源/储能设备直流接入、端口间故障隔离等新功能。     

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。     

具有直流故障清除能力的MMC子模块关键性能研究

由于直流故障熄弧问题,柔性直流系统中、大容量直流断路器的商业应用尚不成熟。利用换流器自身实现直流故障自清除成为未来柔性直流系统直流故障隔离的主要手段。针对近年来国内外学者提出的各类具有直流故障自清除能力的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块,该文对其关键性能进行了详细的分析比较。通过理论计算,分析了各类子模块的故障隔离速度和交流源阻断能力,并通过仿真进行验证。此外,从投资成本和附加功率损耗两个角度,结合算例分析,对各类子模块的经济性进行了分析比较。所取得的研究成果能够为工程实际中换流器子模块的选择提供理论依据与参考。     

多类型换流器并存的柔直配电网故障隔离方法

对于多类型换流器并存的柔直配电网,目前还缺少完备的故障隔离方案。为此,针对典型的半桥型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)无法阻断直流故障电流的问题,提出基于外部晶闸管旁路的MMC拓扑(external thyristor based MMC,ET-MMC),用外部晶闸管旁路代替传统的双晶闸管,阻断交流馈入的同时大大减少了晶闸管的数量,并在直流出口新增耗能模块加速电感剩余能量的耗散。其次,针对网络中存在的电压源换流器(voltage source converter,VSC)和直流变压器(DC transformer,DCT),通过新增耗能支路实现故障自清除。另外,针对多类型换流器并存的柔直配电网,设计完备的故障隔离方案。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建六端环状柔直配电网仿真模型,仿真结果表明,所提方案能够在故障发生后25ms内完成隔离过程,且具有较好的经济性和实用性。     

一种能够清除直流故障的改进MMC子模块及特性研究

模块化多电平换流器(MMC)具有输出波形谐波含量低、高度模块化等优点,在高压直流输电(HVDC)领域得到了广泛的应用,如何处理直流侧故障也成了MMC面临的主要难题。提出一种具备直流故障自清除能力的改进子模块拓扑,分析了其工作原理、运行特性和故障阻断机理并进行了混合拓扑计算;然后对改进子模块的阻断能力、经济性进行了综合对比分析;最后在PSCAD/EMTDC中搭建了单端MMC直流系统对提出的子模块阻断特性进行了仿真验证,仿真结果表明,所提改进子模块的混合拓扑能够快速有效清除直流故障电流。     

C-MMC型电力电子变压器直流故障分析与保护方法研究

对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型电力电子变压器的拓扑结构及实现原理进行介绍。分析了在采用半桥子模块的MMC中发生中压直流母线双极短路故障后的电流流通路径,以及其不能实现直流故障闭锁的原因。为解决上述问题,选取箝位双子模块代替半桥模块,并分析了其故障电流流通路径和故障闭锁原理。但由于箝位双子模块在直流故障闭锁后可能出现子模块过电压问题,为此,提出了电力电子变压器隔离级延时闭锁的策略,并分析了MMC闭锁后在该策略下隔离级闭锁前的故障电流流通路径。最后,通过PSCAD仿真平台对箝位双子模块的闭锁功能和隔离级延时闭锁策略进行了仿真验证。     

低压直流母线AC-DC电力电子变压器及其短路故障穿越方法

传统的基于半桥型模块化多电平电力电子变压器使用大量的开关器件和无源元件,限制了其功率密度和效率的提高。提出了一种组合全桥型模块化多电平换流器(MMC)和输入侧间接串联型输入串联输出并联DC-DC变换器的电力电子变压器拓扑,MMC输出等级较低的中压直流母线,可减少隔离级DC-DC模块数量,且可以实现故障时的自阻断功能。通过改变DC-DC变换器模块输入侧的串联连接方式,可有效避免中压直流端口短路时导致DC-DC变换器输入侧电容短路问题。该电力电子变压器拓扑同时具备中压和低压直流端口,且可以有效降低开关器件、无源元件、高频变压器以及DC-DC变换器模块数量,提高电力电子变压器的功率密度、效率和故障穿越能力。最后基于MATLAB/Simulink,搭建了该电力电子变压器的仿真模型,仿真结果验证了该拓扑的可行性。     

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。