电压源型AC/DC换流器的运行机理和特性分析

传统的高压直流输电(HVDC)是采用基于晶闸管的自然换相的换流器技术,存在一些固有的缺点.近年来随着电力电子技术领域中具有自关断能力的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和门关断晶体管(GTO)等器件的发展,使得电压源型换流器(VSC)在HVDC中的应用越来越引起普遍的重视.VSC控制和运行方式简单,输出波形品质好,运行模式灵活,具有良好的发展前景.介绍基于VSC的HVDC的原理,分析了其控制特性、运行技术特点.     

DC-bus voltage control of three-phase AC/DC PWM converters usingfeedback linearization

In this paper, a fast voltage control strategy of three-phase AC/DC pulsewidth modulation (PWM) converters applying a feedback linearization technique is proposed. First, incorporating the power balance of the input and output sides in system modeling, a nonlinear model of the PWM converter is derived with state variables such as AC input currents and DC output voltage. Then, by input-output feedback linearization, the system is linearized and a state feedback control law is obtained by pole placement. With this control scheme, output voltage responses become faster than those in a conventional cascade control structure. For robust control to parameter variations, integrators are added to the exact feedback control law. Since the fast voltage control is feasible for load changes, it is shown that the DC electrolytic capacitor size can be reduced. In addition, the capacitor current is analyzed for size reduction of the capacitor. As is usual with PWM converters, the input current is regulated to be sinusoidal and the source power factor can be controlled at unity. The experimental results are provided to verify the validity of the proposed control algorithm for a 1.5 kVA insulated gate bipolar transistor PWM converter system     

电压源型AC/DC换流器的运行机理和特性分析

传统的高压直流输电 (HVDC)是采用基于晶闸管的自然换相的换流器技术 ,存在一些固有的缺点。近年来随着电力电子技术领域中具有自关断能力的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)和门关断晶体管 (GTO)等器件的发展 ,使得电压源型换流器 (VSC)在HVDC中的应用越来越引起普遍的重视。VSC控制和运行方式简单 ,输出波形品质好 ,运行模式灵活 ,具有良好的发展前景。介绍基于VSC的HVDC的原理 ,分析了其控制特性、运行技术特点     

并网型级联H桥变换器直流电压平衡和功率均衡控制策略

通过建立级联型H桥变换器的数学模型,详细分析了各个H桥之间直流侧电压、传输功率产生不平衡的原因和机理,并提出了一种新的基于调制波矢量重构技术的电压平衡和功率均衡控制策略。该方法在传统级联型H桥变换器双闭环控制以及直流电压平衡控制的基础上,通过引入调制波矢量误差分量对初始调制波矢量进行重构,不仅保证了直流侧电压平衡,而且能够使得各个H桥之间有功功率按需分配、无功功率等量分配。同时,基于线性调制理论,所提方法与直接修改调制比的电压平衡方法相比具有更宽的约束范围,能适用于更大负载不平衡度工况;MATLAB/Simulink仿真验证了所提控制策略的正确性与有效性。     

含电压源换流器的交直流混联电网无功优化模型

随着厦门柔性直流输电工程的建成投运,福建电网形成了以柔性直流输电通道与交流输电通道环网运行的交直流混联电网。为解决含柔性直流的交直流混联电网的无功优化控制问题,提出了一个含电压源换流器的无功优化模型,并采用分支定界法及原对偶内点法求解。所提模型及求解方法已在福建电网自动电压控制系统中进行了测试,实现了对辖区范围内机组、容抗器、有载调压抽头和电压源换流器等各类无功电压调节策略的在线实时优化计算,取得了较好的测试效果。     

Closed-loop voltage regulation of dual converters withcirculating-current mode, used in four-quadrant DC magnet power supplies

A dual power converter with circulating current mode has been proposed to meet the high-power requirement of four-quadrant DC magnet power supplies. Closed loop output voltage regulation for the dual converter with a circulating current mode, which is used in four-quadrant DC magnet power supplies, is discussed. The closed loop control is designed to improve the dynamic response of the dual converter and to provide the required output regulation. The stability analysis of the closed loop system is also presented to analyze the effect of time delay associated with the sample-and-delay nature of the dual converter gating     

基于六脉波电压源逆变器的SSSC直流电容电压控制机理

对一个包含静止同步串联补偿器(SSSC)的纯感性线路的三相系统,计算了基于六脉波电压源逆变器(VSI)的SSSC在感性、容性补偿方式下一周期内的交、直流侧电流及直流电容电压;结合PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真,全面分析了电流对直流电容充放电的影响、开关器件导通周期。计算、仿真及分析结果表明当SSSC注入的串联可控电压与线路电流正交时,电容电流对电容的充放电不起作用,SSSC与系统间仅交换无功;当不完全正交时,电容电流影响电容的充放电,SSSC与系统间不仅交换无功,亦交换有功。     

电网换相换流器和电压源换流器串联组成的混合直流换流器控制和保护研究

基于电网换相换流器和电压源换流器串联的混合直流换流器在克服交流故障时的换相失败和直流故障时的重启动具有优势。分析了该混合直流换流器运行方式、控制策略、电压源换流器保护原理、抵御换相失败原理和直流线路重启过程,认为由该混合直流换流器组成的高压直流输电系统,可克服传统直流和柔性直流输电的主要缺点。当逆变侧的交流系统发生故障时,电压源换流器可提供电压支撑来抑制直流电流增加,缓解电网换相换流器换相失败效应。当直流线路发生故障时,逆变侧电网换相换流器可阻断电压源换流器产生的故障电流,具备直流线路故障重启能力。另外,电压源换流器还为电网换相换流器提供无功功率,从而减少换流站无功设备配置。     

应用于高功率密度DC/DC变换器的铁氧体材料

高功率密度DC/DC变换器广泛应用于各种电子系统,对应用于其中的铁氧体材料提出了新的要求.分析了国内外DC/DC变换器的新近研究,总结了应用于这些高功率密度DC/DC变换器系统中的铁氧体磁性材料的主要特性,为结合实际需求进行高频低损耗铁氧体材料研发提供参考.     

平均电流法均流在数字DC/DC电源中的应用

针对两个数字控制DC/DC电源模块实现并联均流的问题,设计了一款由四个运算放大器组成的均流控制器,该控制器是基于平均电流模式的自动均流控制。介绍了数字控制电源系统的并联均流总体方案,重点分析设计了均流控制电路,研究了数字控制电源的电压反馈控制。通过在基于ADP1053数字式DC/DC电源模块上进行试验,验证了该均流控制电路的合理性。     

应用于直流配电网的双向全桥直流变换器比较分析

对电容缓冲式直流变换器采用死区时间移相控制。通过比较分析电容缓冲式直流变换器与非缓冲式直流变换器的开关特征,得出了缓冲电容对高频环节波形特征、功率传输特性以及回流功率特性的影响,并推导了可以统一描述这2种不同拓扑结构的传输功率表达式与功率因数表达式,进而得出两者之间的联系与区别。对缓冲电容的取值进行了理论分析,提出缓冲电容的选取方法。仿真与实验结果表明了理论分析的正确性与控制策略的有效性。     

Grid capacity and efficiency enhancement by operating medium voltage AC cables as DC links with modular multilevel converters

It is anticipated that with the thrust towards use of clean energy resources such as electric vehicles, future distribution grids will face a steep increase in power demand, forcing the utility operators to invest in enhancing the power delivering capacity of the grid infrastructure. It is identified that the critical 5–20 km medium voltage (MV) underground ac distribution cable link, responsible for bulk power delivery to the inner urban city substation, can benefit the most with capacity and efficiency enhancement, if the existing infrastructure is reused and operated under dc. Quantification of the same is offered in this paper by incorporating all influencing factors like voltage regulation, dc voltage rating enhancement, capacitive leakage currents, skin and magnetic proximity effect, thermal proximity effect and load power factor. Results are presented for three different ac and dc system topologies for varying cable lengths and conductor cross-sections. The computed system efficiency is enhanced with use of modular multilevel converters that have lower losses due to lower switching frequency. A justified expectation of 50–60% capacity gains is proved along with a generalized insight on its variations that can be extrapolated for different network parameters and configurations. Conditions for achieving payback time of 5 years or lower due to energy savings are identified, while the socio-economic benefits of avoiding digging and installing new cable infrastructure are highlighted. The technical implications of refurbishing cables designed for ac to operate under dc conditions is discussed in terms of imposed electric fields, thermal profile and lifetime. A novel opportunity of temperature dependent dynamic dc voltage rating to achieve additional capacity and efficiency gains is presented.     

基于电容电压波动的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

针对模块化多电平换流器(MMC)的子模块电容电压均衡问题,为了在较低的开关频率下抑制电容电压波动,提出了一种标记排序电容电压均衡策略。标记排序均衡策略能够根据设定的电容电压波动率边界与每个子模块的投切状态和电容电压,将同一桥臂内的子模块标记为两种类型,分别进行排序与投切控制。其中电容电压波动率边界可以根据系统运行的不同条件进行调整。提出了用于评价电容电压均衡控制策略性能的两个通用性指标,分别为器件平均开关频率和桥臂的电容电压波动率。在PSCAD/EMTDC中搭建了一个21电平MMC的测试系统,将标记排序均衡策略的控制性能和已有的两种电容电压均衡策略进行了仿真对比,并计算了不同均衡策略下MMC的损耗分布。仿真结果证明了标记排序均衡策略的有效性。最后,对电容电压波动率边界取不同值时的情况进行了仿真测试,给出了电容电压波动率边界的选取建议。     

双线性DC/DC变换器混杂建模与优化控制

Boost、Buck-boost和Flyback等DC/DC变换器的连续时间状态空间模型实际上是由一组双线性微分方程来描述的,这类变换器控制的主要难点在于双线性项的处理和变换器所固有的混杂特性。对此,提出了一种针对这类DC/DC变换器的混杂建模和优化控制方法。该方法首先将开关周期等分为多个子周期,并通过迭代推导出变换器在开关周期内的离散时间状态更新函数。然后将双线性项在整个状态-输入空间内进行分段线性化处理,从而建立变换器的混杂模型。以Boost和Buck-boost DC/DC变换器为例,分别建立了其混杂模型,并进行了优化控制。最后通过实验对比分析了两种DC/DC变换器的优化控制效果,从而验证了该方法的通用性、有效性和优越性。     

高压变频器的产品和市场状况

高压变频器(在国外称中压变频器)自上个世纪九十年代中期开始在国内推广,经过十年的发展,今天已经普遍为市场所接受,估计今年的市场容量在10亿到20亿元人民币之间。本文将从产品技术和市场两方面分析一下高压变频器的特点。     

高输入输出变比的两级式DC/DC变换器

两级式变换器比单级式变换器更适合应用在输入输出变比较高的DC/DC变换场合。研究了一种Buck+LLC谐振全桥的电路拓扑,阐述了LLC谐振全桥的原理和特性,在分析了这种两级变换器的稳定性基础上,通过合理选取前级Buck电路的输出电压、后级LLC谐振全桥变压器变比和谐振元件参数,提高了两级变换的效率。基于上述分析,采用该拓扑结构试制了一台功率1 kW,210～270 V输入,27 V输出的原理样机,并给出了实验结果。     

Evaluation of pulse voltage generators

In this paper, the electrical characteristics of the positive pulsed corona in a wire-cylinder type reactor are investigated. The injected energy and charge into the discharging volume per pulse and per unit length of corona emitting wire are adopted to evaluate the power source, electric circuits, and the corona wire. The discharging current lasts from several hundred nanoseconds to a few microseconds. The current, power peak values, and the injected energy and charge per pulse per unit length of emitting wire can reach up to 60 A/m, 5 MW/m, 480 mJ/m, and 8 μC/m, respectively. The energy conversion efficiency related to the output energy from the pulse forming capacitor and the energy delivered to the discharging volume can reach up to 90%. All results are obtained at room temperature and in air     

DC/DC变换器稳态运行谐波状态空间模型

针对传统的状态空间平均法在建模中损失纹波信息的缺陷,基于线性时间周期理论和谐波线性化理论,采用傅里叶分解法,建立DC/DC变换器稳态运行下的谐波状态空间模型,绘制DC/DC变换器的谐波等效电路,从频域角度描述拓扑电流和电压的映射过程;在输入侧加入小扰动,建立DC/DC变换器的谐波状态空间小扰动描述矩阵,对稳态谐波和扰动间谐波进行分析。仿真与实验结果表明,基于谐波状态空间的DC/DC电路建模方法具有极高的精确性,在未来多变流器的配网场景谐波分析中具有一定的工程运用价值。     

交直流电压下绝缘子放电紫外脉冲与泄漏电流对比分析

绝缘子污闪是威胁电力系统安全可靠运行的主要因素之一,如何有效检测绝缘子污秽状态成为污闪防治的关键。本文基于搭建的污秽绝缘子放电紫外脉冲检测系统,利用人工气雾室开展了不同污秽分布与空气湿度下陶瓷绝缘子放电紫外脉冲检测与泄漏电流对比实验研究。实验结果表明:直流电压下,不同污秽分布与空气湿度下绝缘子放电紫外脉冲数与泄漏电流具有相似的规律,可采用绝缘子放电紫外脉冲数替代泄漏电流检测污秽绝缘子,实现绝缘子污秽状态的非接触检测与评估;交流电压下,不同污秽分布绝缘子放电紫外脉冲数区别不大,难以通过紫外脉冲检测实现不同污秽分布绝缘子的区分。研究工作为输电线路绝缘子污秽状态非接触检测与评估提供了参考。     

基于混合型多电平换流器的柔性直流输电系统

针对一种混合型多电平换流器（Hybrid Multilevel Converters, HMC）在柔性直流输电系统（VSC-HVDC）中的应用进行了研究。阐述HMC的电路拓扑和工作原理,从功率角度分析子模块电容电压均衡条件,介绍了换流器的基本控制策略,提出了一种改进控制策略和HMC子模块串的均压控制策略。提出了基于HMC的前馈交叉解耦控制策略,包括有功无功解耦控制器,以及直流侧电压控制器。利用PSCAD/EMTDC建立了基于HMC双端三相35 kV,240子模块的VSC-HVDC详细仿真模型,验证了所提出的主电路拓扑和控制策略。