基于占空比主动调节的钳位开关电容型DC/DC解耦控制策略

钳位开关电容型DC/DC(Clamping Switched Capacitors-based DC/DC,CSC)是构建具有直流故障自清除能力直流变压器的有效模块。由于传统控制策略下的CSC中直流电压与电容电压存在着耦合效应,直流电压的变化将直接引起电容电压与交流环节电压幅值的变化,使得CSC在两端直流电压不匹配时可能发生软开关丢失、电流应力增大、功率损耗增加等运行性能下降的现象。鉴于此,为改善CSC在直流电压不匹配时的开关及效率性能,提出了一种基于可变占空比的CSC电容电压解耦控制策略。该策略可以在CSC的整个运行范围内保证交流电压幅值的自动匹配,对于改善CSC的整体运行性能具有明显效果。基于试验样机,验证了所提控制策略的正确性与有效性。

基于环流解析分析的MMC电容电压优化控制策略

为限制MMC子模块电容电压波动,一般所需电容较大。首先分析二倍频环流与电容电压波动间的解析关系,提出了全工况范围内的子模块电容电压波动峰值与二倍频环流之间关系的数学模型。然后利用该模型,提出以电容电压波动为目标值的二倍频环流注入方式,将电容电压波动峰值控制在设定参考值。该方法不仅能在在全工况下实现控制目标,而且通过减小峰值电流增加安全裕度。最后,通过仿真及试验结果验证了所提模型的正确性与优化控制策略的有效性。

应用于HVDC系统的高频模块化直流变压器匹配移相控制策略

高频模块化直流变压器(HMDCT)是构建直流电网的核心设备。HMDCT在传统移相(TPS)控制下的高频交流不匹配工作状态会带来较大的高频电流应力与回流功率,降低了HMDCT的传输效率,因此解决该技术瓶颈成为进一步促进HMDCT在直流电网中应用的关键。鉴于此,提出了一种基于桥臂子模块动态投切技术的HMDCT交流链匹配移相(MPS)控制策略。由分析及实验结果可知,当采用交流链MPS控制策略时,不论HMDCT两端的直流电压变比如何,HMDCT的交流链电压均能够保持在匹配工作状态;且在传输功率相同时,相比于TPS控制,交流链MPS控制具有更小的回流功率及更高的效率。通过样机实验对理论分析的正确性与有效性进行了验证。

MMC的电容电压纹波效应及其对换流器优化设计的影响分析

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)子模块上存在电容电压波动,是影响MMC分析和设计的重要因素。现有研究通常只关注电容电压纹波给器件电压应力和桥臂内部环流带来的影响,很少关注其对MMC交、直流端口输出特性的影响。揭示了电容电压纹波对交流输出电压和电容电压直流分量的影响机理,提出了基于标幺值的纹波效应偏差解析计算模型,可以根据运行工况准确求解出交流参考电压和子模块电容电压直流分量。在交流输出侧,计及纹波效应偏差影响可以扩大MMC线性调制区,提高MMC交流侧额定电压,降低桥臂额定电流。对于子模块电容电压,纹波效应给电容电压直流分量带来的偏差起到了降低电容电压峰值的作用,可以降低所需电容值。计及纹波效应偏差影响的参数优化可以使MMC的成本、体积和损耗都得到相应的下降,尤其是可以使电容用量得到大幅下降,使MMC的体积和成本得到显著优化。数字仿真结果验证了所提出的纹波效应理论及优化设计方法。

低电容用量高纹波MMC的三次谐波电压注入方法

针对高纹波模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)在感性工况下输出电压能力和功率能力受限问题,对基于三次谐波电压注入的高纹波MMC进行了研究。考虑了MMC电容电压波动的影响,对三次谐波电压注入下MMC电压的输出能力进行了分析,揭示了在不同运行工况下三次谐波注入对MMC最大调制比的提高能力不同。基于感性工况下的调制比可提高程度大于容性工况的特性,提出了高纹波MMC的三次谐波电压注入方法,可弥补感性工况下高纹波运行方式导致的输出电压和无功能力的缺失,将高纹波MMC的输出功率范围扩展到与常规MMC接近,克服了高纹波MMC感性无功输出能力严重受限问题。仿真结果验证了所提方法的有效性。

基于桥臂基波平均开关函数的MMC模型在直流电网仿真中的应用

在直流电网的研究中,模块化多电平换流器(MMC)的建模起着至关重要的作用。鉴于此,提出了一种基于桥臂基波平均开关函数的MMC行为模型,相比于已有的以桥臂为基本建模单元的MMC模型,该模型将MMC的解锁运行状态与闭锁运行状态结合为一个整体,且模型主电路中只采用了受控电压源、不变电阻以及二极管等静态元件,进而可以在现有的仿真软件上完成模型的图形化搭建而无需重新进行元件的编码与数值计算处理;同时,在所提出的模型中,由于桥臂基波平均开关函数可以直接从控制系统中得到,而无需通过调制系统,因此简化了整个模型的搭建与调试。通过与详细模型的对比实验,验证了所提行为模型的精确性与快速性。采用上述建模方法,对一个四端金属回线接地真双极直流环网的直流故障特性进行了仿真分析与研究。仿真结果表明金属回线的阻抗及接地电极的位置与阻抗都会影响接地性直流故障的故障电流,但对于双极故障则不会产生任何影响;而直流电抗器的使用,则会对双极故障具有"改善"作用,但随着直流电抗器值的增加,"改善"作用的提高度越来越不明显。

MMC线性调制区扩大方法及其对桥臂功率波动影响的统一分析模型

为了通过扩大线性调制区实现模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)运行特性和体积成本的优化,分析了3次谐波注入和全桥子模块负电平输出对MMC线性调制区的影响,建立了综合计及3次谐波注入和负电平利用因素的MMC线性调制区统一分析模型,得到了综合计及两方面因素影响的最大调制比解析表达式。建立了桥臂功率波动随调制比变化的解析分析模型,揭示了在有功功率工况下桥臂基频功率波动随调制比的提高存在一个极低点。基于一个400 kV/1250 MW的MMC实例,对几种线性调制区扩大方式对MMC参数设计和桥臂功率波动的影响进行了对比分析,通过3次谐波注入和负电平利用的协调配合,可以使MMC调制比运行在最优点附近,大幅降低子模块电容电压波动。数字仿真结果验证了所提分析模型的正确性,并表明了3次谐波注入和负电平利用的协调优化运行方式的有效性。

基于移相控制的高频链模块化多电平直流变压器分布式控制管理策略及轮换电容电压平衡方法

该文针对应用于高压直流互联系统的高频链模块多电平直流变压器（high-frequency-link modular multilevel DC/DC transformer,H-M2DCT）移相控制策略进行研究。首先,提出移相控制在该结构直流变压器中的应用原则,并对该方法下的H-M2DCT运行特性进行详细分析,同时提出其适用于不同调制方法的通用数学模型;在此基础上提出H-M2DCT基于移相控制原理的分布式控制系统架构。在该架构下,H-M2DCT分别以两个全桥组别的独立相桥臂为基本控制单元进行分布式控制,每个桥臂之间的控制系统相互独立,且具有模块化与即插即用等特点,并利用该架构设计H-M2DCT的3种工作模式,从而拓宽其应用场景;同时,根据H-M2DCT的高频特性,提出适用于H-M2DCT的轮换电容电压平衡策略,减小了调制系统的计算负担与换流器的开关附加损耗,从而提高了每个桥臂调制系统的运行速率与换流器的运行。最后,基于新一代Si C功率器件,通过样机实验,对所提出的基于通用数学模型的控制管理策略及轮换电容电压平衡策略进行验证,实验结果证明了所建通用数学模型的正确性及所提策略和方法的有效性。

用于HVDC系统互联的高频模块化直流变压器优化控制策略

针对应用于高压直流输电(HVDC)系统互联的高频模块化直流变压器(HFMDCT),以直流电流纹波及高频环节电流应力大小为优化目标,提出了HFMDCT的直流链匹配多电平控制策略。对HFMDCT在多电平控制方法下的直流电流纹波机理进行了分析;通过采用拉格朗日因子法得到优化高频环节电流应力的直流链占空比条件,并以此为依据提出了高频变压器变比的设计原则;同时,为了在直流电压变化时仍可以保证HFMDCT的运行效率,进一步提出了基于直流链匹配多电平控制策略的直流电流纹波优化控制方法。

多样性子模块混合型MMC统一外特性高效电磁暂态模型

混合型模块化多电平换流器(MMC)的高效电磁暂态仿真是研究相关技术的重要基础。然而,由于多种子模块可以被采用,且每种子模块中均包含了大量的开关,混合型MMC的详细电磁暂态模型将严重降低其仿真效率。鉴于此,文中基于开关函数的定义与电容器件的动态特性,对多样性子模块的串联结构进行了统一的动态平均化等值,并根据等值后的动态模型,提出了一种适用于直流电网高效电磁暂态仿真的混合型MMC统一外特性模型以兼顾直流电网对仿真精度及效率的双重要求。同时,所提统一模型具有良好的可移植性以满足其作为研究工具的修改便利性要求。最后,基于ADPSS仿真软件,通过与基于分立元件的详细模型进行对比,验证了所提统一外特性模型的仿真精度与效率。

基于钳位开关电容的高频模块化直流变压器

直流变压器是构建直流配电网的核心设备。鉴于此,为了促进直流配电网的工程化进程与运行可靠性,提出一种基于钳位开关电容的高频模块化直流变压器方案(clamping switched capacitors-based high-frequency modular DC transformer,CSC-DCT)。相比于传统的直流变压器,该文所提的方案不仅集成了原有方案的功率密度高、体积小、运行噪音低、高低压侧隔离等优点,同时也克服了原有方案应用时的众多不足,是一个集冗余子模块设计功能、直流故障处理能力、灵活控制方法、升降压型高频链电压调节能力以及单步直接电压变换功能于一体的换流开关一体化直流变压器。同时,为了更好地利用CSC-DCT的优势,对CSC-DCT的子模块基本调制策略、直流故障处理策略、冗余子模块在线切换策略、控制系统架构及电流、电压以及传输功率特性等进行详细的分析与研究。实验结果验证了该文所提的CSC-DCT及其控制策略的可行性与有效性。

基于电流馈电型开关电容的多重模块化直流变压器及其优化调制策略

针对中压直流电网中不同中压直流母线的连接问题,文章提出了一种基于电流馈电型开关电容的输入串联输出串联多重模块化直流变压器(current-fed switched-capacitor-based input-series-output-series multiple modular DCtransformer,CFSC-DCT)拓扑结构。相比于传统的基于双主动全桥的多重模块化直流变压器,CFSC-DCT在拓扑上具有关键的在线冗余设计与直流故障隔离功能,从而提高了中压直流电网的运行可靠性;同时,为了优化其高频链环节的电流应力,一种双重高频链电压幅值匹配调制策略被应用于所提出的CFSC-DCT。仿真结果表明,在该调制策略下,CFSC-DCT的高频链电压始终处于匹配状态,避免了传统方波调制下的直流端电压不匹配现象,优化了其高频链电流应力,提高了直流变压器自身及中压直流电网的平均运行效率与经济效益。