新一代高韧性直流输电技术(二):高倍载模块化换向式换流器

针对高韧性直流输电技术对高倍载、高经济性直流换流器的需求,提出一种高倍载模块化换向式换流器(high-overload modular commutated converter,MCC)。首先,对MCC的拓扑构造和运行原理进行详细分析,指出其器件软开关特性、桥臂能量脉动优化和高倍载潜力;针对MCC的宽范围电压变比调节、串联模块电压均衡控制、架空线应用中的直流故障自清除等关键问题,给出解决方案;以±500 kV/2000 MW直流输电系统为例,分析MCC的元件用量、体积、效率、成本等技术特性,并与常规模块化多电平IGBT换流器进行综合对比;最后,研制基于IGCT-Plus器件的±15 kV/60 MVA MCC产品,开展综合性测试验证。结果表明,提出的MCC有望将现有换流器技术方案的体积、成本、损耗率分别减小达50%,在电能变换与传输中具有广阔的应用前景。

面向MMC应用的大功率IGCT器件加速老化试验拓扑研究

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor, IGCT)具有阻断电压高、通流能力强等特点,在柔性直流输电等领域具有广阔的应用潜力,但其在高电压、大通流应力下的可靠性问题,成为限制应用的潜在因素,如何针对不同工况开展加速老化等效测试成为开展可靠性研究的关键瓶颈。文中以模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)工况为代表,针对IGCT器件可靠性等效测试难题开展研究。首先分析MMC工况下IGCT器件的暂态电气应力和长期电热应力,分别采用TCAD仿真软件与平均值等效计算模型定量获得IGCT器件在实际工况下的应力大小;其次,基于应力分析结果,提出一种三半桥式两级电流应力加速老化试验拓扑,设计并搭建2 500 V/4 000 A/150 Hz参数的IGCT加速老化试验平台;最后,开展约100 h高压、大电流老化运行试验,验证平台具备长时运行的能力,且等效测试应力达到设计要求。所提出的等效拓扑及其构建方法,不仅解决了MMC工况下IGCT器件的加速老化测试问题,对其他交直流变换工况、其他类型功率半导体亦有很好的参考价值。

新一代高韧性直流输电技术(一):从器件、装备到系统

构建高比例新能源、高比例电力电子化的新型电力系统迫切需要具有超强构网和主动支撑能力的新型直流输电技术。为此,文中秉承“一代器件、一代装备、一代系统”理念,提出新一代高韧性直流输电概念。增强型集成门极换流晶闸管(enhanced integrated gate-commutated thyristor,IGCT-Plus)的半导体本征结构拥有超强的浪涌电流能力,将为高暂态耐受的换流器提供坚实的物理基础;新型模块化换向式换流器(modular commutated converter,MCC)拥有优异的软开关特性,将是高倍载直流输电系统的优选方案;IGCT-Plus和MCC作为核心器件和装备将支撑具有电压和频率强支撑能力的新型高韧性直流输电系统构建。文中从新型器件、新型装备到新型系统对高韧性直流输电技术进行全面论述,并对后续发展中存在的关键问题和技术进行分析和展望。提出的高韧性直流输电技术对支撑双高电力系统的安全稳定运行具有重要意义,有望成为未来电力传输中的崭新方式。

基于单级多电平开关变流的超大容量海上风电变流器

海上风机正向超大容量方向发展,基于较低电平数目变流技术的风电变流器在电压、容量等级的提升方面受到限制。提出了基于单级多电平开关变流的超大容量海上风电变流器方案,采用直流电压可大范围调节的宽直流电压模块化多电平变流器(MMC),在单级多电平变流器中实现DC/DC和DC/AC两级变换功能。基于风电变流器的单向功率传输特性,采用单向电流型宽直流电压MMC优化开关器件用量,并基于负电平利用优化调制比大幅降低MMC的子模块电容用量。所提出的方案不仅具有电压与容量等级高、功率损耗低、谐波含量低的优势,还能最大限度降低开关器件和电容的用量。与现有风电变流器方案进行对比,结果表明所提方案在经济性、运行性能等方面具有显著优势。通过仿真验证了所提方案拓扑结构和控制策略的可行性和有效性。

新时代东北全面振兴的关键症结与着力方向

东北全面振兴深刻影响着国家的安全、稳定和发展大局。东北振兴战略实施以来,取得了明显成效,新动能和新优势不断涌现。然而,经济社会发展水平的持续提升,东北振兴面临的问题也日益突出,包括“一城独大”,缺失城镇化的有效集聚中心;“一业独大”,缺失工业化的实效组织载体;“一企独大”,缺失城乡一体化的高效桥梁纽带等,造成东北地区“集聚能力弱”和“发展成本高”两大困境,中心城市集聚能力不足是主要原因,中心城市行政区划设置滞后是关键症结。推动新时代东北全面振兴应以优势地区为载体打造新的增长极,深入推进中心城市行政区划改革,实现从区域边缘末梢到开放枢纽的转变。

高压大容量柔性直流换流阀关键设计和发展趋势

柔性直流输电技术具有控制灵活性高、无换相失败问题和动态无功支撑能力强等突出优点,已广泛应用于点对点输电、背靠背联网和构建直流电网等场景。柔性直流换流阀通过功率器件的频繁开断来实现交、直流的电能转换,是柔性直流输电工程的核心设备。首先,结合工程实践经验,系统梳理并提出了不同应用场景下柔性直流换流阀的关键设计要求,对比分析了柔性直流输电工程中常用的功率器件及柔性直流换流阀拓扑,展望了柔性直流换流阀的发展趋势。此外,针对2种典型的未来应用场景,对比了不同的技术方案,可为柔性直流输电技术应用于高压大容量远距离输电场景提供有益借鉴。

基于IGCT串联的电流源型融冰装置

针对冬季输电线路覆冰问题,提出一种基于集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)串联的电流源型直流融冰装置及其控制方法。该融冰装置采用电流源型整流器拓扑,兼有直流侧融冰与交流侧无功补偿的功能。所提控制方法首先采用瞬时功率理论分解交流侧的瞬时有功、无功,根据融冰功率与交流侧无功补偿需求分别进行有功、无功双环解耦控制。为节约装置成本、减少传感器使用,提出一种不依赖电容电压传感器的控制方法,通过网侧电压、电流的差分计算得到LC滤波器的电容电压。为抑制高频谐波对控制系统的不良影响,引入虚拟电阻控制单元对LC滤波器的高频谐波进行前馈抑制。最后,考虑具体应用场景设计1台交流侧电压10 kV、最大融冰电流1000 A的融冰装置样机,通过实验验证了所提技术方案和控制方法的有效性。

新型IGCT直流输电换流阀运行试验研究及其等效性评估

换相失败问题(commutation failure,CF)是电网换相换流高压直流输电技术(line commutated converter high voltage directcurrent,LCC-HVDC)面临的固有难题。为了解决该问题,已有文献主要从拓扑结构、控制策略等方面着手,鲜见抵御换相失败的新型换流阀研制及试验研究。该文开展基于大功率逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate commutated thyristor,RB-IGCT)的新型换流阀试验研究及试验等效性分析。首先,阐释新型换流阀抵御换相失败的原理,并针对新型换流阀不同的工作模式,提出对新型电力电子器件的需求。然后,利用现有的型式试验合成回路平台开展适用于传统晶闸管换流阀的运行试验,并分析试验结果,得出大部分试验项目等效性较好而小熄弧角试验和关断试验等效性较差的结论。最后,针对这两项特殊试验提出新的试验方法和试验电路,可为新型换流阀的研发和应用提供一定的技术基础。

基于柔性中压直流配电的能源互联网系统

能源互联网是解决可再生能源大规模利用的有效途径,具有巨大的发展前景。文中对能源互联网和直流配电技术的研究现状进行介绍,在此基础上,对交流能源互联网的典型结构进行论述和分析;给出一种基于柔性中压直流配电的能源互联网系统,对其系统结构和关键技术进行介绍;以深圳某园区为实例,给出基于柔性中压直流配电网的能源互联网的方案示例,为我国能源互联网的建设提供参考。最后,对基于柔性中压直流配电网的能源互联网的发展前景进行了展望。

双有源桥式直流变压器发展与应用

直流变压器是实现新能源高效、经济的大规模汇集和构建直流输配电一体化网络的关键设备。文中对双有源桥式直流变压器关键技术发展和应用进行介绍和展望。首先,通过梳理直流变压器的典型应用场景,对不同场景下的应用特点进行概述。在此基础上,针对中高压直流输配电应用场景,从核心电路、典型结构、运行控制、工程化设计、实现和应用等多个方面对直流变压器的分析、设计和实用化方案进行介绍和讨论。最后,对直流变压器的未来发展方向进行展望。随着新能源和直流输配电系统迅速发展,直流变压器的大规模推广应用值得期待。

用于柔性直流配电的高频链直流固态变压器

提出直流固态变压器(DC solid state transformer,DCSST)将作为柔性直流配网中的关键环节,以实现高压直流配电和低压直流微电网间电压和功率的灵活控制和快速管理。文中给出一种基于高频隔离的双向DCSST方案,其具有与传统隔离双向DC/DC变换器类似的传输功率模型;串联端的电压平衡与并联端的功率平衡等价;并且较易实现分布式、模块化和即插即用的软硬件结构。文中给出DCSST的拓扑结构、工作模式、传输功率特性、控制和管理策略、设计和实现方法;在此基础上,基于SiC功率器件,搭建用于柔性直流配网的DCSST样机,验证控制和设计方法的正确性和有效性。随着柔性直流输配电的快速推广,DCSST具有较大的应用前景。

用于电池储能系统并网的双向可拓展变流器及其分布式控制策略

随着储能系统规模的扩大,传统集中式变流器的结构已经无法满足其发展要求,分布式模块化的变流器结构及其控制系统成为发展趋势。提出了一种用于电池储能系统并网的双向可拓展变流器,给出它的2种拆解和拓展形式。在此基础上,分析了双向变流原理,与传统的电池储能变流原理不同,它完全通过控制电压源之间的幅值和相角差来改变功率的大小与流向,具有更好的静动态特性。针对传统集中式的控制方式,提出了双向可拓展变流器的分布式控制策略,将电网侧变流环节设计为被动功率控制,蓄电池侧变流环节设计为主动功率控制,避免了各控制器对功率调节的竞争,实现了电网侧和蓄电池侧变流环节控制系统的完全解耦,同时保证了变流器始终工作在单位功率因数的状态下。仿真与实验结果均与理论分析一致,变流器在稳态和暂态过程中都能正常工作,且达到了控制要求。

双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器及其功率回流特性分析

为了减小双向全桥DC-DC变换器的功率环流,分析传统移相控制中存在的功率回流现象,并分析回流功率对提高功率环流和电流应力所起的作用。在此基础上,提出一种双重移相控制方法。相比传统移相控制,该方法不仅具有更小的功率环流和电流应力,同时扩大了传输功率的调节范围,增强了功率调节的灵活性。详细介绍和分析双重移相控制的工作原理,给出变换器的工作模态分析,建立传输功率及回流功率的数学模型,并对比双重移相控制和传统移相控制的控制性能。最后,通过实验结果验证了双重移相控制的优越性。

基于教研相融和翻转课堂的新工科教学改革实践——以“能源互联网中能量转换与互联设备”课程为例

我国新工科建设对人才培养目标和课程教学方式提出了新的要求。该文以典型的新工科课程“能源互联网中的能量转换与互联设备”为例,介绍该课程的教学改革实践。首先,从新工科发展特点出发分析教研相融和翻转课堂与新工科课程的结合契机;其次,介绍能源互联网关键设备课程的特点以及在开设之初所存在的教学问题;然后,从课程内容、教学方式、考核方式等方面介绍了教学改革举措;最后,基于教学评估结果对教学改革成效进行了分析。结果表明,教研相融和翻转课堂有效提升了教学成效,学生投入、师生互动、学生收获度、学生对教师和课程认可度、学习成绩等多个指标都有显著提升。

基于ArcCHECK模体的螺旋断层放疗计划验证及摆位误差对验证的影响

目的:探究ArcCHECK模体对螺旋断层放疗(Tomo)计划的验证及探究摆位误差对剂量验证通过率的影响。方法:回顾性分析2021年1月—2023年2月云南省肿瘤医院放疗中心行Tomo放疗的45例肿瘤患者的临床资料,通过计划系统优化得到Tomo计划的理论剂量分布云图,通过ArcCHECK模体测量得到Tomo计划的实际投照剂量分布云图,比较两者剂量分布云图的吻合程度,并利用Gamma分析法定量分析其通过率,利用Sun patient软件分别模拟旋转方向、X方向和Y方向上的摆位误差,同样使用Gamma分析法定量分析此时的通过率,并且对此时的通过率采用方差分析和LSD分析。结果:标准摆位时,除了乳腺癌的Tomo计划在分析条件为10%、2%/2 mm时的通过率为(92.83±6.36)%,其余病种的Tomo计划在3种分析条件下的通过率均大于95%;模拟摆位误差后,通过率随摆位误差的增大而逐渐下降,当旋转方向≥1.0°、X方向≥3 mm、Y方向≥3 mm时通过率急剧下降约至90%及以下,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:标准摆位时,利用ArcCheck模体对Tomo计划进行DQA质控的结果均满足放疗剂量精准投照的要求,旋转方向≥1.0°、X方向≥3 mm、Y方向≥3 mm对Tomo计划的Gamma通过率影响较大,临床工作中应尽最大可能减少各个方向的摆位误差。

具有馈电功能的新型并网UPS系统及其分散逻辑控制策略

随着智能电网建设的提出,单一耗电设备已经无法满足其发展要求,绿色、节能、并网型用电设备成为发展趋势。提出一种具有馈电功能的新型并网不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)系统及其拓扑结构,并将该结构拆分为4个单相全桥电路,依次组成脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流馈电模块、隔离双向DC/DC模块以及逆变模块,从而使系统成为一可以四象限运行的电源装置。在此基础上,设计了系统的工作模式与分层控制体系,并将核心控制层离散为7个模块化的子控制器,通过它们的分散逻辑组合实现各部分的控制策略,从而达到不同工作模式下稳态和暂态运行的控制目标。最后,搭建了仿真系统和实验样机,验证了系统拓扑和控制的正确性及有效性。

基于IGCT的高压大容量模块化多电平变换器

模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,MMC)的多电平调制大幅降低了功率器件开关频率,为集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)的应用带来了契机。该文探讨基于IGCT的高压大容量MMC,尤其是对其拓扑结构、通态和开关行为进行详细分析。在此基础上,对IGCT-MMC的损耗特性进行系统性的分析。文中搭建IGCT-MMC的实验平台,对IGCT-MMC子模块的大电流关断和大功率运行状态进行系统性的测试,验证IGCT-MMC方案的正确性和有效性。该文的研究对推动IGCT在柔性高压直流输电的应用,实现更高电压、更大功率、更高效率和可靠性的柔性直流输电系统具有一定参考价值。

无主从自均流并联并网电池储能系统

提出了一种无主从自均流的并联并网电池储能系统,并将系统中的变流器设计为双向可拓展变流结构,使其成为一四象限运行的储能系统,并且不对电网造成谐波污染,具有较高的功率因数。在此基础上,将系统的工作状态设计为蓄电池并网充电、蓄电池并网放电及应急电源3种模式,控制单元根据不同的工作模式控制各变流器的运行状态,不仅可以实现传统电池储能系统的基本功能,还能够在电网故障时作为应急电源独立使用。同时,给出了系统的控制管理策略,以达到系统稳态和暂态运行的控制目标。最后,基于电磁暂态仿真验证了该系统及其控制管理策略的有效性。

多功能直流集电器概念及其全直流海上风电系统

直流汇集与输送是未来大规模海上风电系统的主要发展方向之一。为了实现低成本、高效率和高可靠性的海上风电全直流组网与输送,该文提出一种多功能直流集电器概念及其海上风电直流组网方案。通过引入直流集电器对风机单元进行能量汇集和级联升压,所构成的全直流组网系统不仅减小了机侧换流器规模和海上换流站平台,同时消除了风机的功率波动对于风场内网电压的影响,使得各个风机均可实现最大功率追踪并维持原有的控制和保护架构。此外,直流集电器概念的提出使得海上风电系统的运行更加灵活,同时兼顾故障隔离、动态切入切出、直流耗能运行等多种模式,为远距离大容量的海上风电建设提供了一种切实可行的解决方案。最后,通过搭建基于直流集电器的全直流海上风电系统的仿真模型,验证了所提方案的正确性与有效性。

用于非接触电能传输的自适应谐振技术原理

分析了非接触电能传输系统中耦合谐振电路的特性,着重探讨了谐振状态对提高传输功率和传输效率所起的重要作用,进而提出了基于锁相环的自适应谐振控制策略。通过对逆变器输出电压、电流的检测和计算得到相位差,输入到PI调节器和振荡环节对逆变器的驱动频率进行调整,经过一段暂态过程后,逆变输出电压、电流的相位差为零,从而实现了电路的自适应谐振控制。系统仿真和实验结果表明:基于锁相环自适应谐振控制原理的非接触电能传输系统能够对原、副边所有元件参数的变化进行快速跟踪和调节,使整个系统工作在谐振状态,保证系统始终具有最大的传输功率和传输效率。