模块化组合式直流变压器的单极接地故障特性和恢复策略研究

直流变压器是解决直流输电系统互联时电压等级不一致问题的主要方法,然而直流变压器的故障特性和恢复策略尚不清楚。文中研究了模块化组合式直流变压器(modular combined DC transformer,MCT)在直流单极接地故障下的暂态特性,并分析了不同故障下交流侧隔直电容的放电过程,提出了相应的故障恢复策略。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了含有MCT的柔性直流输电系统仿真模型,时域仿真结果验证了故障特性分析和故障恢复策略的正确性和有效性。

一种模块化组合式直流变压器及其主回路参数选择方法

当前,直流变压器是解决直流输电系统互联时电压等级不一致问题的主要方法,但传统的直流变压器中含有交流变压器因而价格昂贵。对此文中提出了一种无需交流变压器的模块化组合式直流变压器(modular combined DC transformer,MCT)。文中首先分析了MCT的拓扑结构和工作原理,然后根据MCT的性能要求提出了参数的选择原则,最后在PSCAD研究了含有MCT的直流输电系统仿真模型。时域仿真结果验证了文中所提出的MCT的可行性。

基于准方波调制策略的谐振型模块化多电平直流变压器

直流电网是实现可再生能源高效汇集和直流负荷柔性接入的重要方案,直流变压器是互联不同电压等级直流系统的核心装备。本文提出一种谐振型模块化多电平直流变压器,在中压侧采用半桥模块阀组串联,在低压侧采用全桥并联,能够显著降低器件电压、电流应力并减少功率器件和变压器数量。直流变压器拓扑采用准方波调制和移相控制,提高交流链路频率并实现定频输出电压控制。采用基波近似方法,分析其传输功率特性,并建立关键参数设计方法和输出电压控制策略。最后,通过4 kW/600 V/100 V实验样机验证了所提拓扑和控制方法的可行性。

基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置及其协调控制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)高压直流输电技术(high voltage direct current,HVDC)受端交流系统故障引起的直流过电压问题,文中提出一种基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置拓扑及协调控制方法。该直流泄能拓扑包括模块化分布式泄能部分、限流电抗器和集中式泄能电阻3部分,对子模块工作模式进行设计,提出可避免直流泄能装置反复投切的弹性调节泄能的协调控制策略,推导直流泄能装置功率控制及其内部电气耦合关系,给出泄能装置元件参数的设计方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建MMC-HVDC及所提出的直流泄能装置模型,研究单相和三相接地故障下直流泄能装置的特性及直流过电压抑制效果。结果表明,所提直流泄能装置在协调控制策略下能够分阶段弹性调节泄能功率,有效抑制直流过电压,并有利于故障后的快速恢复。

基于模块化多电平换流器和组合式变压器的高速铁路同相牵引供电系统

为解决高速铁路大容量负荷补偿需要、降低有源补偿装置容量,提出了基于模块化多电平换流器(MMC)与组合式接线变压器相结合的有源补偿同相牵引供电系统。设计了基于MMC的直挂型潮流控制器(PFC)拓扑结构,并推导了MMC参数计算方法。提出了负序灵活补偿策略,在负序满足国标的前提下节省了有源补偿装置容量。与传统同相牵引供电系统相比,该方法在满足更高的电压等级和功率要求的同时,节省了匹配变压器成本,降低了有源补偿容量。最后给出了系统控制策略,并通过仿真分析验证了所提方案的有效性与正确性。

具备直流短路故障阻断能力的子模块桥臂复用型模块化多电平固态变压器

模块化多电平换流器的固态变压器(modular multilevel converter based solid state transformer,MMC-SST)由于具备多电压等级、多电压形态的端口,在交直流混合配电网中得到广泛关注。传统的输入串联输出并联(inputseriesoutput parallel,ISOP)型MMC-SST具有较高的功率密度,但是在中压直流(medium voltage DC,MVDC)端口短路故障情况下无法持续向低压侧供电;双向有源全桥变换器(dualactive bridge,DAB)型MMC-SST则存在功率密度低、成本高等问题,并且传统的半桥结构的DAB型MMC-SST在MVDC端口短路故障情况下同样无法持续向低压侧供电。文章提出了一种子模块桥臂复用(arm integrated submodule,AISM)型MMC-SST拓扑,在不改变MMC-SST端口电气特性的情况下,在有效减少开关器件数量的同时,还使得SST具备中压直流端口短路故障下的不间断运行能力,进而提升SST的功率密度和供电可靠性。针对文中提出的AISM型MMCSST拓扑,该文还提出了一种针对输入级MMC的混频调制方法,基于共模、差模解耦原理,实现输入级MMC桥臂电压的高频分量和低频分量的解耦。通过理论分析与仿真模拟,验证了所提拓扑及控制方法的可行性。

电压自均衡直接耦合式模块化多电平直流变压器

直流变压器是未来直流电网中的关键设备。针对现有直接耦合式模块化多电平直流变压器（modularmultilevel DCtransformer,MMDCT）所存在的交流环流和滤波需求大等问题,该文提出一种适用新能源接入场合的升压型MMDCT（Boost-MMDCT）拓扑及其控制与调制方法。其主要特点在于：1）采用准谐振电路在子模块间构建了平衡功率传递回路,相对现有MMDCT拓扑避免了贯穿桥臂和直流侧的交流环流;2）结合该文提出的相邻子模块互补投切调制方案,实现了子模块电容电压的自然均衡和稳定,控制简单、可靠;3）将加在输入电感上的方波电压幅值限制为单子模块电压,相对现有MMDCT拓扑大大减小了输入滤波电感;4）实现了多数开关的软开关运行和剩余开关的小电流关断,具有较小的开关损耗和电磁干扰。基于Matlab/Simulink,对提出的直流变压器拓扑进行仿真分析,验证其运行原理的正确性及控制算法的有效性。

基于开关电容二端口子模块的自耦式模块化直流变压器

基于电力电子器件的直流变压器能量变换环节多,存在体积大、成本高、效率低、控制复杂等问题。基于开关电容概念,设计新型二端口子模块,利用自耦变思想进行模块化组合,提出一种新型自耦式模块化直流变压器拓扑。分析了新型自耦式模块化直流变压器的工作原理,给出其电感纹波和电容纹波的理论计算公式。对所述拓扑的电容和电感参数进行了设计,并提出调制、电容均压以及输出电压/功率的控制策略。通过仿真与实验验证了新型直流变压器拓扑、理论分析以及控制策略的正确性。

矿用模块化组合式永磁驱动滚筒的研制与应用

通过对行星齿轮传动机构、永磁同步电动机与滚筒进行集成的研究,成功研制出一种新型带式输送机驱动方式-矿用模块化组合式永磁驱动滚筒,其具有低速大扭矩、高效率和高可靠性、单双驱灵活切换等优点,解决了传统驱动方式系统复杂、维护量大、效率低、能耗高等问题,避免了永磁电动机直驱方式随着功率及转矩的增大其体积和价格明显增加的弊端,突破了大功率(>315 kW)外转子永磁驱动滚筒煤矿井下应用的局限,提升了带式输送机整机性能。目前,400 kW矿用模块化组合式永磁驱动滚筒已经在煤矿井下得到应用,运行效果良好。

新型双降压式模块化多电平直流变压器

直流变压器对直流配电网的稳定运行有着至关重要的作用。针对半桥和全桥型模块化多电平直流变压器(MMPCT)存在的直通和死区问题,提出一种新型双降压式模块化多电平直流变压器(DB-MMDCT),并分析其拓扑结构和工作原理。基于类方波调制方法,分析在不同外移相角和桥臂子模块内移相角的情况下,该拓扑的变压器漏感电流以及功率传输特性。提出基于子模块电容电压变化量与当前电容电压值的排序算法,实现桥臂内电容电压平衡。基于PSIM平台对比半桥型模块化多电平直流变压器(HB-MMDCT)与DB-MMDCT在类方波调制方法下的运行特性,结果表明DB-MMDCT消除了直通问题,降低了漏感电流应力,提高了可靠性,验证了文中所提拓扑和控制方法的可行性和有效性。

基于模块化多电平型固态变压器的新型直流微网架构及其控制策略

设计了一种基于模块化多电平型固态变压器(modular multilevel converter-solid state transformer,MMC-SST)的新型直流微网架构,可最大限度地适应新能源的接入,提高系统的电能质量,真正实现能量的双向按需传输和动态平衡使用。首先,详细分析了基于MMC-SST的新型直流微网的系统结构,并给出了MMC-SST主电路拓扑;然后,对MMC-SST各级的控制策略和直流微网子系统能量管理算法进行了优化设计,使MMC-SST能够按照给定的功率因数运行,并具有比传统控制方式更快的瞬态响应速度和更强的鲁棒性,实现了直流微网子系统的灵活、经济、可靠运行;最后,通过搭建基于MMC-SST的新型直流微网子系统的简化计算机仿真平台,进行综合仿真验证了提出的架构和控制策略的可行性和有效性。

模块化多电平换流器型高压直流变压器的直流故障特性研究

下一代高压直流电网技术成为未来电网发展的重要方向,高压直流变压器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备,也是制约直流电网推广的技术瓶颈之一。然而有关模块化多电平换流器型高压直流变压器(modular multilevel converter based HVDC transformer,M-HVDCT)拓扑的故障响应特性和故障穿越能力的研究尚未见诸报道。在搭建PSCAD/EMTDC仿真模型的基础上,首先分析了M-HVDCT的直流侧线路双极短路、单极接地短路故障机理,分析了系统的故障输出特性。结果表明,双极短路时的子模块电容放电是造成瞬态电流冲击的主因,而变压器耦合的阀侧馈能则是稳态故障电流的原因;M-HVDCT对双极短路故障具有故障隔离能力,而单极接地短路故障则会因为变压器的耦合作用而传到非故障侧,从而给系统带来负面影响。仿真实验结果验证了理论分析的正确性,研究结果将为直流电网技术的工程化研究提供重要的理论和工程应用基础。

用于VSC-HVDC系统的模块化直串式直流耗能装置

柔性直流输电(VSC-HVDC)因其所具备的长距离输电损耗低而易于实现故障隔离与穿越、独立控制有功与无功等优势,使得其在海上风电并网领域具备极大的应用前景。为了实现海上风电VSC-HVDC系统的故障穿越,在对比分析现有耗能装置方案的基础上,提出一种经济型模块化直串式直流耗能装置拓扑。该拓扑结合了集中式耗能电阻户外散热和分布式模块自取能、软开关控制的优势,解决了拓扑中功率器件异步通断造成的子模块电压持续攀升的可控放电难题。详述了所提拓扑的详细工作状态与控制策略,并通过模块样机实验及等效最小系统实验验证了所提拓扑的可行性与子模块可控放电控制逻辑。通过RTDS实验验证了模块化直串式直流耗能装置能够实现系统的平滑故障穿越。

模块化多电平直流变压器研究

针对直流配电网系统,文中提出一种模块化多电平直流变压器结构,该结构仅采用一个高频变压器实现电气隔离和电压匹配,大幅度简化了原副边绝缘设计。为了提高变流器效率并实现模块电压的均衡,文中提出一种双移相控制方法。文中详细介绍了模块化多电平直流变压器的工作原理及控制方式,并分析功率器件的软开关特性。为了验证所提结构的可行性,文中基于碳化硅器件搭建了一台2k W样机,实验结果跟理论分析非常吻合。

模块化组合式雷达直流应急电源研究

直流电源作为雷达的二次电源,不仅种类规格多、而且对可靠性、稳定性要求高。然而,由于负载、电网、自然环境等的影响和工作环境的电磁干扰,直流电源容易出现故障,这对雷达情报的正常传递造成致命的影响。本文提出了一种模块化组合式直流电源,作为故障情况下雷达的应急电源,保障直流电源连续不间断的工作,确保雷达直流供电的连续性和可靠性。通过模块化设计,降低了成本、减小了体积重量,提高了可维护性以及可靠性,通过组合式设计,可以适应不同型号雷达的应急供电需求,减少了直流电源数量,提高了通用性和全面性。

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。

混合模块化直流固态变压器Ⅱ:动态特性及快速响应控制

基于移相式-双有源桥(PS-DAB)变换器和串联谐振式-双有源桥(SR-DAB)变换器模块组合的混合模块化直流固态变压器(HMDCSST),兼具PS-DAB和SR-DAB在灵活控制和高效变换方面的优势,主要对其动态特性和快速响应控制策略进行研究。HMDCSST采用输入串联输出并联(ISOP)结构,在对PS-DAB和SR-DAB分别建立平均值和小信号模型的基础上,建立HMDCSST的整体小信号模型,并通过仿真证明小信号模型的准确性。为提高直流固态变压器的动态响应速度,抑制输入电压与负载功率扰动对输出电压的影响,提出一种输入电压前馈与负载功率预测相结合的快速响应控制策略,并利用频域分析伯德图对控制系统的稳定性进行分析。最后构建HMDCSST实验平台,对提出的快速响应控制策略进行实验验证,并与传统PI控制进行对比,实验结果验证了所提控制策略的有效性和优越性。

模块化多电平高频直流变压器类方波调制

随着新能源技术的发展,直流输配电系统受到越来越多的关注。为了实现中高压直流母线间的互联,两端皆为模块化多电平变换器(MMC)结构的模块化多电平高频直流变压器(M2HFDCC)尤受关注。分析类方波调制(QSWM)方式,并探讨将其应用到M2HFDCC的高频调制中。对比常用的方波调制方式,可有效减小du/dt,并保持良好的直流电压利用率和功率传递能力,以实现M2HFDCC高效的母线互联、电压变换、功率传输功能,促进M2HFDCC在直流配电系统中的应用。

混合模块化直流固态变压器I:工作原理及稳态特性分析

作为柔性直流配网的关键设备,直流固态变压器(DCSST)的控制性能和效率对提高系统实用性和经济性具有重要意义。不同于现有的模块化级联型 DCSST,结合移相型双有源桥(PS-DAB)变换器和串联谐振型双有源桥(SR-DAB)变换器,提出一种混合型模块化直流固态变压器(HMDCSST)。该 DCSST 融合了 PS-DAB 控制灵活以及 SR-DAB 运行效率高的优点,较原有的 DCSST 拓扑,在保持灵活的电压调节能力的同时,可提高功率传输效率,且由于 SR-DAB模块运行于开环模式,进而降低了系统设计复杂度。分析 HMDCSST 的工作原理,给出平均值数学模型以及功率损耗模型,并对该混合模型在定输出电压控制模式下的输入输出特性及功率传输效率进行详细分析。最后,通过实验结果表明,所提出混合模块化直流固态变压器的功率传输效率可达 96.4%,较单一 PS-DAB 型 DCSST,可提升约 1.0%。此外,输入侧和输出侧扰动实验进一步验证了工作原理及稳态特性分析的正确性。

基于混频电源运行的模块化多电平矩阵式换流器阀段试验系统

模块化多电平矩阵式换流器(M^(3)C)是目前柔性低频输电系统完成频率变换的主要电力电子设备。M^(3)C包含9个桥臂,应用在高压大功率场合的串联模块数目众多,对其设备子模块的生产提出了特殊试验需求。在M^(3)C桥臂稳态电压和电流分析基础上,设计了一种应用于数个串联桥臂子模块(阀段)的对拖运行试验系统,可对其进行等效功率运行测试,以辅助M^(3)C设备的生产和出厂测试。提出了对拖试验系统的控制策略,搭建了由两组4个串联子模块构成的阀段对拖试验系统,进行了相关试验验证。试验结果表明,所提出的试验系统能够满足M^(3)C桥臂串联子模块的等效功率运行试验,并且对电源功率消耗要求不高。