柔性直流输电系统中模块化多电平变流器的直流侧充电策略分析

本文首先对柔性直流输电系统中的模块化多电平变流器的充电方式进行了分析。当柔性直流输电系统连接无源负载时受端站就需要通过直流侧进行充电。本文通过推导模块化多电平变流器直流侧数学模型得出直流侧充电必然存在过充现象。为了抑制过充电压幅值,本文提出了一种直流侧可控充电策略。并根据模块化多电平变流器本身的限制条件推导出充电系数的取值公式。同时,分析了充电电流的变化过程并根据数学模型计算得到充电电流的最大值,为模块化多电平变流器充电系统的设计提供了理论依据。最后,通过实验验证了本文提出的充电策略的可行性和有效性。

面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究

分析了电力电子变压器(power electronic transformer,PET)的国内外研究现状,以及面向中高压电网的已有PET拓扑的特点。在此基础上,基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC),提出了面向中高压智能配电网PET的一种新型拓扑。与传统的PET电路拓扑相比,新型拓扑的优势在于其可以减少电力电子开关器件的数量;更重要的是,可以显著减少高频变压器的数量,具有更好的体积及重量优势。同时,分析了该拓扑PET的工作机制及不同电能转换环节的控制策略设计方法。10 kV/380 V配电网用PET样机上的仿真及试验结果表明了所提拓扑及其控制策略的可行性。

中压配电网用10kVac-750Vdc/1MVA电力电子变压器功率密度影响因素研究

对面向10k V配电网的电力电子变压器(PET/SST)来说,其主要功能是在完成高低压侧电气隔离的前提下实现对电能/电功率的双向流动控制。为了提高功率密度,目前10k V配电网用PET/SST主要通过高频电力电子变换器+高频变压器的方案实现。本文结合研制的10k Vac-750Vdc/1MVA电力电子变压器样机实测数据,详细分析了影响中压配电网PET/SST功率密度的多种因素,指出了影响PET/SST功率密度提高的关键瓶颈问题——功率模块数量多是限制PET/SST功率密度提高的主要因素。而通过提高高频变压器工作频率的方法难以显著提高10k V配电网用PET/SST的功率密度。

混合型模块化多电平变流器电容优化设计

在基于电压源型换流器的柔性高压直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)场合,由半桥和全桥子模块构成的混合型模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流短路故障自清除能力,引起了广泛的研究。而大容量MMC子模块电容的质量、体积大,成本较高,逐渐成为其取得更广泛应用的限制因素。分析并建立了混合型MMC子模块电容电压基频纹波系数与桥臂负电压以及功率因数之间的函数关系。根据该函数,提出一种混合型MMC的参数设计方法使子模块电容最小,在提高MMC功率密度的同时降低了子模块的成本和体积。同时,对比传统的桥臂参考电压始终为正的混合型MMC,在直流电压和桥臂电流有效值相等的情况下,建立了桥臂参考电压存在负电压的混合型MMC的功率传输特性函数,并求出了函数的最优解。最后,通过±160 kV混合型MMC的对比仿真验证了所提设计方法的正确性和有效性。

隔离式双向全桥DC-DC变换器预充电研究

隔离式双向全桥DC-DC变换器正常运行前,为了防止电流过大冲击和输出侧电容电压振荡过大,需对输出侧稳压电容进行预充电。本文提出了一种不需要外加电路预充电的方法:将输出侧H桥开关闭锁,相当于不控整流桥,调节输入侧H桥开关状态,使得输入侧H桥输出方波占空比D从0逐渐上升到0.5。根据隔离式双向全桥DC-DC变换器的工作特点,证明了预充电过程中输入侧H桥开关为零电流开通。并根据这种预充电方法,提出一种隔离式双向全桥DC-DC变换器自起动的策略。仿真验证了这种预充电方法电适用于单个DC-DC模块和模块级联系统。

模块化多电平变流器开环环流抑制策略的渐进稳定性分析

模块化多电平变流器相间环流的存在使得桥臂电流产生畸变,一方面增加了变流器的损耗,另一方面对功率器件的安全工作范围也提出了更高的要求。本文从两个方面分析了开环环流抑制策略的渐进稳定性。首先证明了开环环流抑制策略的基本原理,并在此基础上提出开环环流抑制的一般原理,为模块化多电平变流器开环环流抑制的系统设计提供了理论依据。其次,相比实现起来更为简单的实际值调制环流抑制方法,本文的基于桥臂能量的开环环流抑制策略具有模块电容电压自平衡的特性,无需施加额外的控制;同时,从理论上证明了该开环环流抑制策略具备在不平衡条件下电容电压自平衡的特性,从而证明了该方法的渐近稳定性。最后,通过仿真验证了基于桥臂能量的开环环流抑制方法的稳定性和其模块电容电压自平衡特性的正确性。

三相角型APF补偿电流参考值计算方法

在角型有源滤波器(active power filter,APF)补偿电流参考值提取过程中,对谐波补偿电流提取的动态响应和精度要求高,基频补偿电流需要与网侧线电压正交。针对这2个问题,以无功补偿导纳网络理论为基础,推导角型APF的基频补偿电流参考值与三相负荷电流的变换关系。在此基础之上,提出了补偿电流参考值的计算方法。该方法利用广义瞬时无功理论,并结合滤波器的运用,从三相电流中提取补偿电流参考值。仿真和试验结果验证了所提方法的有效性。

全桥型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制保护策略

直流故障穿越是柔性直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission,VSCHVDC)技术面临的重要问题之一。全桥型模块化多电平换流器(full bridge modular multilevel converter,FBMMC)能够快速清除直流侧故障,是实现直流故障穿越的理想拓扑。该文首先分析现有换流阀闭锁保护策略下电容放电阶段和换流阀闭锁阶段的等效电路,推导电容电压和电流的解析式。针对实际工程中功率模块具有恒功率负载特性,换流站闭锁期间功率模块电容电压逐渐发散并最终导致交流断路器跳闸的问题,提出一种FBMMC-HVDC的故障穿越控制保护策略。在故障穿越期间,换流器处于可控状态,能够避免电容电压发散,无需切断交直流系统连接;在故障清除后能够立即恢复正常运行,具备暂时性和永久性直流故障穿越能力。在PSCAD/EMTDC软件中构建了FBMMC-HVDC仿真模型,对比上述两种保护策略,分析两种策略各自的优缺点。

三相四线三电平APF并联运行有源阻尼方法

由于滤波性能良好,电感-电容-电感(LCL)滤波器被越来越广泛地应用于有源电力滤波器(APF)。对于单台应用的APF来说,一般采用基于并网电流反馈的有源阻尼方法衰减LCL滤波器的谐振尖峰。然而,在多台APF并联运行以提高补偿容量的场合,传统的有源阻尼方法抑制谐振的效果会显著降低,甚至造成系统无法正常运行。本文在推导并联运行APF的LCL滤波器等效模型的基础上,提出一种新型有源阻尼方法。该方法根据系统并联台数对有源阻尼控制器参数进行自适应调整,提高了APF并联运行系统参数的鲁棒性和系统的稳定性。在3台三相四线三电平APF并联运行系统上的仿真和实验结果验证了所提出方法的有效性。

单相电力电子变压器中串联谐振型双有源桥电流特性分析

三级式电力电子变压器(PET)因其良好的控制特性,受到了广泛关注和应用。三级式PET由输入级、隔离级和输出级构成,各级之间通过储能电容相连。由于功率半导体器件的耐压水平有限,一般此类PET由多个功率模块级联构成。各功率模块的中间环节通常采用串联谐振型双有源桥(DAB)变换器来实现不同直流电压等级之间的电能变换与电气隔离。本文在考虑PET交流输入侧、直流输出侧瞬时功率分布规律的基础上,建立了单相PET功率模块的动态等效电路模型,推导了其中串联谐振型DAB的电流时域解析表达式及其简化模型。通过所搭建的Matlab/Simulink仿真模型和电力电子变压器功率模块测试平台验证了该模型的正确性。

适用于MMC-HVDC的优化均压策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的子模块均压效果和绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)开关频率是两个相互制衡的重要指标。提出了一种在保证子模块均压效果的基础上求取最优开关频率的均压策略。通过分析子模块电压均衡的基本原理,提出将同一桥臂上的子模块按照投入/切除状态分组排序,然后基于投入/切除组对应的子模块电压差、桥臂电流方向以及预设的均压效果阈值生成投入/切除组对应的最优交换值。最优交换值是在满足均压效果阈值条件下,投入组和切除组需要交换的最少模块数。基于最优交换值优化调整生成的触发脉冲可有效降低开关频率,能以最小的投切变位即最优开关频率来保证均压效果。最后通过仿真分析,构建基于RTDS实时仿真系统的MMC-HVDC硬件在环半实物仿真平台和背靠背柔性直流输电实验平台,验证了所提策略的有效性。

风场并网的MMC-HVDC故障穿越控制策略研究

针对海上风电场并网的模块化多电平变换器(MMC)-高压直流(HVDC)系统在故障穿越过程中,由于卸荷电路是在直流电压达到一定值一段时间后才开始起作用,导致陆上侧子模块电压有很大的冲击,会有损坏元器件的风险,此处根据故障期间的系统特性对控制策略进行改进,在保证系统故障穿越性能的前提下对子模块电压进行抑制。最后,基于RTDS仿真系统搭建了两端伪双极柔性HVDC输电系统半实物仿真模型,并在控保装置中对改进的控制策略进行了实物验证。

柔性直流输电高频振荡及抑制策略研究

介绍了柔性直流输电系统与交流电网间高频振荡的相互作用及机理,分析了高频振荡分析的基本方法及抑制策略;提出了一种基于虚拟电阻技术的高频振荡抑制策略,并在PSCAD/EMTDC中搭建了±300 kV/1500 MW的背靠背系统对该策略进行仿真验证。试验结果表明,当接入的交流电网较弱时的确可能诱发高频振荡问题,而虚拟电阻技术可有效解决柔性直流输电系统中的高频振荡问题。