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。

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。

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。

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.

模块化多电平开关串联型直流变压器的电流优化控制策略

针对模块化多电平开关串联型直流变压器在中压侧端口电压偏低和轻载情况下存在电流应力增大、运行效率降低的问题,提出了一种基于低压侧全桥内移相控制的电流优化控制策略。通过移相控制,在高频变压器端口产生零电平区间,抑制了传输电感电流尖峰,降低了器件电流应力及损耗。通过研究该直流变压器的工作模式,分析电流应力,以电流应力优化为目标制定优化控制策略。该策略采用分段计算移相角的方法,在维持开关管软开关特性的同时达到良好的闭环控制效果。最后,通过仿真和样机实验验证了所提优化控制策略的有效性。

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。

一种能够阻断直流故障电流的新型子模块拓扑及混合型模块化多电平换流器

针对常规半桥型模块化多电平换流器无法隔离直流故障电流的问题,提出一种新型的应用于模块化多电平换流器的自阻型子模块拓扑,并列出自阻型子模块的4种结构。这4种类型的自阻型子模块在隔离直流故障电流时,需要同时闭锁IGBT的触发脉冲。为了降低触发同时性的要求,进一步提出无需同时闭锁IGBT触发脉冲的2种增强自阻型子模块拓扑。模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)的全部子模块采用增强型子模块时所使用的电力电子器件较多,为了进一步减少MMC中电力电子器件的数量,提出一种由增强型子模块和常规半桥子模块构成的混合型MMC。PSCAD/EMTDC下的仿真研究表明,所提出的自阻型子模块、增强型子模块及混合型换流器能有效隔离直流故障。相比于常规半桥型MMC,该混合型MMC仅需提高25%的IGBT即可具备隔离直流故障电流的功能,因此具有良好的工业应用价值。

基于磁性元件自平衡的双极模块化多电平直流变压器

双极模块化多电平直流变压器可以满足低压用户对多电压等级、可靠供电以及用电安全等方面的需求,而由其两个直流极之间的功率不平衡所导致的电压不平衡以及不稳定问题是面临的技术挑战。基于二极管中性点箝位三电平半桥变换器,提出一种基于磁性元件自平衡的双极模块化多电平直流变压器拓扑。阐述其自平衡机理,分析开关器件的电流应力,给出了整体的控制策略。与额外使用电压平衡器相比,具有开关器件数量少、占地空间小、平衡电压能力强等优点。最后,基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型,验证了所提拓扑结构及控制策略的有效性和可行性。

模块化多电平直流固态变压器的直流偏磁抑制研究

提出了一种快速直流偏磁抑制方法,该方法可以在单周期内快速消除变压器电流的直流偏磁,抑制变压器磁饱和。通过MATLAB仿真与传统的移相控制方法进行比较,验证了该方法的有效性与快速性。

基于模块化多电平变换器的混合型电力电子变压器及其控制策略的研究

提出了一种基于模块化多电平变换器的混合型电力电子变压器及其控制方法。控制策略采用电压/电流双环控制(电压外环采用PR控制器,电流内环采用P控制器),并且加入了低频纹波控制环节,使得装置能够在输出低频工况下正常运行,克服了传统控制方法的装置在低频工况下无法正常运行的缺陷。当电网电压发生电压跌落或骤升等故障时,可以利用本文提出的电压补偿控制进行电压补偿,以提高电网电能质量。通过仿真实验,验证了所提出的混合型电力电子变压器及其控制策略的可行性。

具有软开关特性的模块化直流固态变压器控制研究

模块化直流固态变压器(DC-SST)可以实现不同直流电压等级之间的电气隔离、电压变换和功率传输,在直流配电系统中具有重要的作用。对不同调制策略下DC-SST系统内高频变压器的电压、电流特性和功率传输能力进行了对比分析,验证了准方波调制策略下DC-SST系统能保证高效的电能传输能力。在此基础上,对准方波调制下DC-SST系统的子模块工作模态进行了分析,推导了系统的软开关约束条件,并研究了系统的子模块均压策略和总体控制策略。最后,在MATLAB中对准方波调制下DC-SST系统的控制策略进行仿真并验证其有效性。

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。

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。

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。

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。

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。

混合型MMC非闭锁型直流故障穿越的故障等效模型

由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)相比于全桥型MMC能够在降低成本的同时具备直流故障穿越能力,直流故障暂态分析是混合型MMC器件选型和配比设计的基础。为分析混合型MMC直流侧故障的暂态特性,文中建立额定运行状态和降压运行状态下发生极间短路的混合型MMC非闭锁型直流故障穿越过程的故障等效模型;分析了直流故障穿越期间混合型MMC各桥臂子模块的动态投切过程,将非闭锁型直流故障穿越控制策略切换前的暂态过程等效为不可控的子模块电容放电过程,将控制策略切换后的暂态过程等效为带有电感初始储能和反向电压源的限流过程;给出了直流侧短路电流的解析计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了文中模型和计算方法的有效性,能够为混合型MMC的优化设计提供参考。

高频模块化直流变压器通用损耗计算方法

直流变压器是直流电网中进行电压变换与能量传输的核心设备,为进一步促进直流变压器与直流电网的工程实践,对高频模块化直流变压器(HFMDCT)的损耗特性进行了详细研究。首先对HFMDCT的拓扑结构及其通用移相控制原理进行了分析;然后基于移相控制,对HFMDCT桥臂子模块的通用开关特性进行了详细研究;在此基础上提出了移相控制下HFMDCT的通用损耗计算方法,并基于该方法推导了方波调制移相控制下HFMDCT的损耗模型;最后,通过实验样机对所提出的损耗计算方法进行了验证。

LCC-MMC混合型直流融冰装置拓扑结构及控制方法研究

直流融冰装置是电网应对冰雪灾害的重要设备,传统晶闸管器件的直流融冰技术存在无功消耗高、谐波含量大等问题,而基于全控器件的融冰技术存在装置容量和经济性不足问题。为发挥2种融冰装置自身优势,设计了一种由电网换相换流器(line commuted converter,LCC)和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)共同组成的混合型直流融冰装置,其中MMC换流器采用全桥子模块和半桥子模块混合结构。依据不同线路长度和覆冰工况需求,设计了直流融冰装置工作模式的切换方案与协调控制策略;同时,设计了提高装置利用率的复用功能模式。通过MATLAB/Simulink仿真平台构建了LCC-MMC混合型直流融冰装置模型,对不用工况进行直流侧融冰能力及交流侧电流特性的仿真,结果表明,装置具有无功补偿、谐波抑制、融冰电流高等优点。

计及零直流电压控制的混合型MMC-HVDC输电系统短路电流计算方法

混合型模块化多电平换流器通过零压控制限制直流侧故障电流,为准确分析计算故障后直流侧电流,考虑不同阶段控制系统作用建立其等值模型,并设计故障电流求解计算方法。在零压控制前,构建混合型MMC的串联RLC等值模型,利用受控电流源表征交流馈入能量对故障电流的影响;在零压控制后,分析上下桥臂电压动态调整对故障电流的影响,构建相应混合型MMC等值模型提高计算精度。采用状态空间方程计算2个阶段的直流短路电流,通过电容电压置零来计及零压控制后子模块投切引起直流侧电压复零的特性。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了双极混合型MMC直流输电系统,在不同工况下通过与详细电磁暂态仿真结果对比,验证了所提短路电流计算方法的准确性。