改进下垂控制下的中压直流配电系统双时间尺度分层调控方法

针对中压直流配电系统,在负荷激增、可再生能源出力突变等特殊工况下,传统优化调度方案与协调控制策略存在系统运行经济性有待提升、直流母线电压易越限的问题。为此,提出一种基于改进下垂控制的中压直流配电系统双时间尺度分层调控方法。首先,构建一种具备直流故障穿越能力的3端混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)环状±10 kV中压直流配电系统,该系统含电动汽车充电站、储能系统、分布式光伏与风电等灵活性资源。其次,制定各单元协调控制策略,并采用tan函数改进传统下垂控制,以提高系统应对大幅功率波动的能力。然后,基于改进控制策略提出一种双时间尺度分层优化调控方法:在长时间尺度的系统调度层,以运行总成本最小为优化目标,确定各换流器参考功率;在短时间尺度的换流器间协调控制层,改进下垂曲线,并优化控制系数,以兼顾系统运行经济性与电能质量。最后,以典型算例验证该文所提优化调度方案及协调控制策略的有效性:通过灵活调度多种柔性资源,系统运行总成本可降低约11%;在某数据中心负荷激增100%的工况下,各直流母线电压波动仍能维持在±3%UN(额定电压)的允许范围内。

面向中压直流配电网的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制策略

模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter-battery energy storage system,MMC-BESS)中各子模块功率周期性波动,与其相连的电池组充放电状态频繁切换,产生额外的电荷吞吐量,危害电池储能系统寿命。当MMC-BESS用于中压直流配电网时,其交直流侧功率传输情况复杂多变,增大电荷吞吐量的抑制难度。因此,文中针对中压直流配电网中的MMC-BESS,提出一种基于二倍频环流注入的电荷吞吐量抑制策略。首先,构建中压直流配电网中MMC-BESS的数学模型;其次,剖析MMC-BESS电荷吞吐量的产生机理,分析不同运行方式下电荷吞吐量的影响因素;再次,提出基于二倍频环流注入的电荷吞吐量抑制策略,以系统总电荷吞吐量最小为目标,选取不同工况下需注入的最优二倍频环流分量;最后,多种工况下的仿真及实验结果表明,所提方法可有效抑制中压直流配电网中MMC-BESS的电荷吞吐量。

模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电架构研究

随着大容量中压直流配电技术的迅速发展,模块化多电平直流变换器受到工业界和学术界的广泛关注。然而,实现高可靠的辅助供电是实现直流变换器在中压直流配电场景中应用的关键技术瓶颈之一。为此,提出一种面向模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电系统架构。该架构实现主控制器、子模块等辅电系统的中压直联馈电,从而无需额外低压直流电源,并且大幅提升系统启动速度。基于此架构设计,模块化多电平直流变换器的子模块控制器和旁路开关辅助供电均实现3倍冗余,提高系统容错运行的能力。在子模块电容预充电阶段,提出一种基于辅助电源自主控制的子模块电容均压方法,保证模块化多电平直流变换器可靠预充电。最终通过实验验证所提辅助供电系统架构的可行性。

新型船舶中压直流固态断路器拓扑分析与设计

为解决船舶中压直流(medium voltage direct current,MVDC)电力系统直流电流开断困难,以及发生短路时故障电流上升率高且峰值大的问题,提出一种基于耦合电抗器的阻容限流型固态直流断路器拓扑。以晶闸管(silicon controlled rectifier,SCR)作为主开断器件,通过耦合电抗器来辅助晶闸管开断,并在直流系统发生故障时,通过换流过程将阻容限流元件接入,有效限制故障电流上升率和峰值,减少故障开断所需时间。基于所提拓扑设计了6 kV/4.2 kA的直流断路器模型,在PSCAD/EMTDC中进行仿真,并与现有拓扑进行对比分析。仿真结果表明:所设计断路器可针对直流系统不同的运行状态,按照不同的控制策略顺利完成对直流电流的开断,并且在开断速度、限流能力和金属氧化物避雷器(metal oxide arrester,MOA)耗能方面均具有一定优势。

中压直流配电场景下混合型MMC过调制工况对运行稳定性的影响分析

混合型模块化多电平换流器(hybrid MMC)可通过过调制运行实现中压直流(MVDC)配电网的直流故障穿越.现有研究未充分分析过调制工况下混合型MMC的运行稳定性,无法满足中压直流配电网的运行需求.为此,本文通过与正常工况进行对比,分析了过调制工况对混合型MMC运行稳定性的影响.首先,在电气与控制部分统一的dq坐标系下,构建考虑直流调制比的混合型MMC小信号模型,并将其与详细电磁暂态(EMT)仿真结果对比,验证所建立模型的准确性;其次,对比正常及过调制工况下的根轨迹,进而从控制参数可行域的角度分析了过调制工况对系统运行稳定性的影响;然后,基于主导模态特征根的虚部计算系统失稳时的振荡频率,并将其与相同控制参数下电磁暂态仿真结果进行对比,验证上述稳定性分析结果的正确性;最后,基于参与因子法计算各状态变量对于主导模态的参与程度,从而揭示对系统稳定性影响较大的关键状态变量.理论分析及仿真结果表明,混合型MMC的内部模态会随着交流及直流电流控制器参数的增大而逐渐趋于不稳定;相较于正常工况,过调制工况下混合型MMC控制参数可行域扩大,小信号稳定性提高.

船舶中压直流电站试验负载技术及选型应用研究

在中压直流综合电力系统首次装船应用的背景下,文中针对船舶大容量中压直流电站的系泊试验负载需求,首先研究了近年来国内成功研制的几种大功率中压直流试验负载的技术原理及特点;然后总结和对比了这几种试验负载的使用性能;最后结合船厂码头系泊试验阶段中,试验负载的实际应用条件以及船用试验负载的发展趋势,提出设计能量回馈型组合负载系统的建议,可在实现试验负载功能的同时,合理利用试验产生的能量,并给出负载系统初步方案。该文可为后续大容量中压直流电站试验负载实船选型应用提供理论参考。

基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析

为了克服柔性中压直流配电网工频方案中变压器体积大、重量大、噪音大、控制不够灵活等问题,提出一种基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统。该系统中直流配电母线不仅包括中压直流母线,还包括低压直流母线;中低压直流母线之间通过直流变压器进行连接;低压直流母线用于接入各类分布式电源。该系统中高频链直流变压器的使用不仅实现了不同电压等级直流母线间的电压变换、能量管理,还可以有效提高系统功率密度。介绍了中压柔性直流配电系统架构,给出了高频链直流变压器以及其它典型换流器的设计和分析,并对直流配电系统的工作模式和控制器进行了设计。最后,搭建了仿真平台,验证了系统的有效性。

混合型中压直流真空断路器的研究

提出了一种基于强迫换流原理的混合型中压直流真空断路器方案。阐述了关键部件如斥力真空触头机构增强通流能力和提高初始速度的方法,脉冲功率组件串联应用和提高浪涌通流技术,避雷器的技术要求及参数设计的原则,介绍了已开展的工作。对换流过程进行了理论分析,研制了额定5 kV/6 kA断路器样机,进行了系列实验,验证了理论分析和参数选择的有效性。

中压柔性直流配电系统故障暂态仿真研究

文中针对±10 k V/1 k A柔性直流配电系统进行仿真分析,包括直流系统仿真参数设计、结构选取,配合直流断路器的应用,利用PSCAD/EMTDC仿真软件分析了极间短路故障时直流系统暂态变化的情况,并结合系统侧参数分析了各因素对暂态过程的影响。仿真结果表明,系统参数对故障暂态电压电流的变化有较大的影响;直流断路器可以快速开断故障电流,限制电流峰值,对系统参数设置和器件及设备选型有一定的参考价值。

舰船中压直流综合电力推进系统设计及稳态分析研究

论文针对目前备受关注的舰船中压直流综合电力推进系统(简称舰船MVDC系统)进行设计及稳态分析研究。舰船MVDC系统设计分为两步:其一,结合需要系数法及发电机容量、台数确定原则,进行系统电源设计;其二,通过研究IEEE 1709标准以及船舶电力系统相关设计标准,提出舰船MVDC系统基本设计原则,并结合系统电源设计结果,完成系统结构设计。在系统设计的基础上,建立系统潮流计算数学模型;并基于直流牛顿拉夫逊法进行改进,提出舰船MVDC系统的交直流混合潮流计算方法,进行系统稳态分析研究。研究结果表明,论文所提出的系统设计方法及交直流混合潮流计算方法,适用于舰船MVDC系统。

基于线路电流二阶导数的中压直流系统故障识别方法

直流线路故障的快速有效识别是基于电压源型换流器的中压直流配电系统发展的关键技术之一。直流线路故障电流上升十分迅速,系统中电力电子器件过载能力小。因此以串入直流线路限流电感的中压直流配电系统为基础,分析直流系统的故障特性,在此基础上提出基于线路电流二阶导数的中压直流配电系统直流线路故障快速识别方案。该方案能够实现故障侧、故障类型及故障线路极性的快速识别,进而实现对线路的保护。最后基于Matlab验证了所提故障检测方案的有效性,并与基于线路电流一阶导数的故障检测方案进行了对比。仿真结果表明所提方法在故障电阻、故障距离及负载发生变化的情况下仍可实现直流线路故障的快速准确检测,且相比基于线路电流一阶导数的直流线路故障检测方案具有更好的选择性。

基于MMC的中压大功率直流配电方案及其控制方法

为了节省系统的体积,提出了一种新颖的中压直流配电方案,采用模块化多电平换流器(MMC)和二级管不控整流的结构。将MMC的输出交流电压、电流的基波频率设定在1kHz,与传统50Hz控制算法相比,可以在很大程度上减小变流器的体积。由于基波频率的提高,必须简化调制算法,提出了一种MMC方波调制策略,与传统MMC调制算法相比可以节约控制器资源。另外,为了测试整个系统额定运行工况,提出了一种电阻微循环的控制结构,可以实现功率的内部循环,仅从电网吸收电阻消耗的功率和系统的耗散功率,从而可以大大减小电网的压力。

船舶中压直流系统中模块化多电平变换器的并联拓扑与控制优化

在船舶中压直流(medium voltage direct current,MVDC)电力系统中,并联式模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)因可以承担较大的桥臂电流逐渐受到关注,但MMC并联存在环流问题,会导致功率损耗和系统成本增加。为减少并联MMC的环流,首先对并联结构中子模块数对输出电压、交流侧总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)、传输效率的影响进行研究,找到最优子模块数,然后在分析MMC环流产生机理的基础上设计一种基于内模控制(internal model control,IMC)的并联协调控制策略,以此建立并联MMC-MVDC电力整流系统模型。MATLAB/Simulink的仿真结果表明,采用基于IMC的协调控制策略可有效减少并联MMC的环流,并提高桥臂承担电流的能力。

串联型光伏中压直流变换器及控制策略

为满足大型光伏电站串联型光伏中压直流变换器的高升压比和宽输入、输出电压的需求,文章提出了一种新型隔离型buck-boost直流变换电路作为模块拓扑,通过调节占空比,实现直流变换模块升压和降压模式灵活地切换,从而提高变换器的电压运行范围。与常规隔离型buck-boost电路相比,文章拓扑中只有低压侧电路含有可控开关管,简化了拓扑控制,使拓扑更适用于中压场合。文章分析了新型直流变换拓扑工作原理,并推导了不同工况下拓扑的电压增益,提出了适应不同运行工况的变换器控制策略。根据文章策略开发了3 kV/90 kW直流变换模块和20 kV/500 kW串联型光伏直流变换器,测试结果证明设备能够稳定运行。

计及换流器间动态交互的中压直流配电系统控制参数设计

由于各换流器间存在动态交互作用,使得中压直流(MVDC)配电系统的控制参数设计比单台换流器时困难得多。首先,针对系统中换流器的电流控制环、电压控制环和下垂控制环,依次分别建立了计及换流器间动态交互的开环和闭环传递函数,并且所建传递函数零极点的个数与单台换流器独立运行时完全一致。然后,提出了一种计及换流器间动态交互的MVDC配电系统控制参数设计方法,该方法能够从系统动态稳定性的角度定性定量设计控制参数。该设计方法通过部分零极点的相互抵消,利用一对共轭主导极点准确设计系统动态特性,并在较宽频率范围(如10~50 Hz)内均有效。最后,在电力电子仿真软件PLECS中对所提传递函数和控制参数设计方法进行了仿真验证。

MMC在船舶中压直流电力系统中的应用

在船舶中压直流(medium voltage direct current,MVDC)电力系统中,为解决功率为36 MW的发电机电压的整流问题,建立适用于船舶MVDC电力系统的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)模型。在空间矢量控制方法的基础上,加入桥臂电压控制。在直流电压为5kV及负载不同的情况下,应用MATLAB/Simulink对该模型进行仿真,验证模型和控制方法的有效性。基于此,研究该模型在不同直流电压(5~30 kV)等级下的性能表现。仿真结果表明:在36MW/5 kV的额定工况下MMC存在效率低的问题;直流电压等级对MMC输出直流电压的纹波影响不大,但对MMC的效率有明显的影响。

中压直流配电网应用场景与系统设计

目前,中压直流配电网的应用场景、基本特性及其系统设计还缺乏系统性论述。首先,从供电能力、互联作用、相互支撑、短路电流抑制作用等系统特性方面论述了中压直流配电网的应用场景、特点及优势。然后,从工程实现的角度论述了中压直流配电网设计的关键技术,涵盖电压水平的确定、网架设计、接线方式、接地方式的选择等关键技术。最后,指出了中压直流配电系统发展与应用还应考虑的问题。

基于DAB变换器的舰船中压直流混合储能系统端电压限制

为解决脉冲负载投切对舰船中压直流(medium voltage direct current,MVDC)电力系统的冲击,引入基于双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器的锂电池-超级电容混合储能系统。鉴于传统功率分配策略无法实现对超级电容端电压的主动限制的缺点,引入混合储能系统功率比的概念,建立锂电池功率传输与超级电容功率传输之间的联系;结合DAB变换器电压变比匹配度,提出一种新型动态补偿功率分配策略;采用直接功率控制在MATLAB/Simulink中进行仿真。结果表明,这种策略能有效平复脉冲负载投切对直流母线的冲击,实现闭环功率分配,对超级电容端电压进行主动限制,从而新型动态补偿功率分配策略的有效性得到验证。

中压直流综合电力系统发电机并联控制策略

针对中压直流综合电力系统多相整流发电机采用传统直流侧电压—功率下垂励磁控制策略,在轻载工况存在功率分配不均的问题,建立了多相整流发电机等效数学模型,理论分析了功率分配不均问题的产生机理,研究了一种按发电机负载率选择电压反馈输入源的改进控制策略,并构建了并联整流发电机短路测试平台,开展了并联机组直流侧短路电流的理论推导、仿真计算与试验测试。对比结果表明,通过轻载时引入交流侧输入电压作为励磁控制器的电压反馈源,可实现并联发电机组轻载正常建压,短路电流峰值按比例分配,验证了所采用策略的有效性。

舰船中压直流电网中三电平直流变换器设计

为了实现中压直流4 kV至低压直流710 V的变换,设计了一种应用于舰船中压直流电网中的三电平直流变换器,分析了该变换器的工作原理,设计了滤波元件参数和控制器,并进行了仿真验证。最后,根据设计方案制造了一台实验样机。实验结果表明:设计方案合理可行,该变换器动态性能良好,功率密度和效率均高。