大规模海上风力发电直流输电新型混合整流阀拓扑及其控制策略

当功率达到吉瓦级时,基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)的海上风力发电输电系统的庞大的体积和巨大的重量极大地增加了海上平台建造难度和成本。为此,提出了一种基于全桥型模块化多电平变流器(full-bridge modular multilevel converter,FB-MMC)和12脉波二极管整流单元(diode rectifier unit,DRU)的直流侧串联、交流侧并联混合整流阀拓扑(series DC parallel AC hybrid rectifier valve,SDCPAC-HV)。该拓扑中,MMC维持海上风电场汇集母线(point of common coupling,PCC)电压,DRU单元在此电压下分担部分输送功率,各并网逆变器采用传统PQ控制模式。首先,探讨了为了维持PCC电压,MMC直流电压占发送阀总电压的比例(即MMC直流电压占比)与MMC调制比之间的关系。然后,分析了MMC无功功率、DRU无功功率和风电场无功功率的平衡问题。同时,给出了正常工况下MMC的控制策略以及直流短路故障和PCC母线短路故障恢复时的控制策略。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建了完整的海上风力发电系统仿真模型,验证了所提拓扑及其控制策略的正确性。

不同拓扑结构混合整流器性能评估

针对五种不同拓扑结构的混合整流器原理进行分析,建立构成混合整流器的无源器件、半导体芯片、散热系统和辅助元件模块关于损耗、体积和质量模型。采用非支配遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)在给定系统和模块的参数条件下,求解由电感器、电容器、MOSFET管和二极管构成的半导体模块,风机和散热器构成的散热系统以及控制板、驱动器和辅助电源模块构成的辅助模块的损耗、体积和质量。依据得出的数据建立相对效率、功率密度、功率质量比、无源器件相对损耗、半导体芯片相对面积性能指标,得到不同开关频率性能指标之间关系和比较结果。在不同开关频率时,根据模型求解的数据和性能指标比较图,综合比较五种不同拓扑结构的混合整流器系统性能指标,得出三电平单向Vienna型混合整流器(3LUVHR)系统性能最优。

一种适用于航空电源变换的新型混合整流电路功率控制

该文针对一种适用于航空电源变换的新型混合整流电路进行了研究,并提出了一种最优功率控制方法。该电路采用脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)整流器和二极管整流器的并联结构,有效地抑制了网侧电流谐波,其中PWM整流部分能够承担部分比例可控的有功功率,使整流电路得到了更加充分的利用。提出了具有双电流闭环结构的新型功率控制方法,解决了混合整流电路中功率如何分配的问题,得到了最优分配点,使PWM整流部分承担的视在功率最小。同时研究了该电路中滤波电感和电流谐波的关系,提出的基于电流控制的功率因数补偿方法,保证了有滤波电感情况下电网侧的高功率因数。论文通过仿真验证了控制方法的正确性、不同滤波电感参数对电流谐波的影响,并通过实验验证了功率分配和能量回馈性能。

新型三电平单向混合整流器电流控制策略分析

在能量优化中,调整功率配比需要混合整流器中并联的整流器精确控制输入电流波形。针对新型三电平单向混合整流器中并联的三电平单向整流器数学模型,提出在d-q坐标系下采用符合调制比约束的变比例控制算法,电流跟踪精度优于传统PI控制。针对该新型混合整流器并联的三相单开关Boost整流器电流连续模式下的数学模型,采用单周期电流脉动脉冲宽度调制控制算法,可在一个采样周期内补偿电流误差。仿真实验表明,该电流控制策略适用于不同的非正弦周期性电流波形,方法简单,跟踪快速,实现了混合整流器运行于高功率因数、低谐波畸变率、功率配比可调整的特性,从而证明了控制策略的有效性和正确性。

三相混合整流器直流电压控制与能效优化策略

三相混合整流器电压控制方法通常采用传统PI控制,其控制参数依赖精确的数学模型,自适应能力差,鲁棒性低,影响整流器稳态与动态性能,对此,提出一种改进的基于二次型性能指标单神经元自适应PID算法,并结合负载电流前馈控制的混合整流器电压控制策略。该电压控制策略在带载启动、突加或突减阻感性负载,系统稳态精度和抗干扰能力优于传统PI控制策略。为提高混合整流器电能变换效率,提出了调控整流器输入电流波形,改变功率配比,达到系统损耗最小的方法实现整流器运行能效最佳。计算机仿真结果表明,所提出的电压控制策略有效,能效优化方法可行。

单向混合整流器无源电流控制

针对现行单向混合三相电压型整流器的交流电流存在尖峰和谐波畸变率高的问题,提出抑制电流尖峰,降低谐波畸变率的方法。通过在现行混合整流器拓扑结构中增设补偿电感器,抑制因电路结构产生电流尖峰。基于三相三电平T型VIENNA整流器和三相单开关Boost整流器欧拉-拉格朗日数学模型,提出一种满足特定约束的非线性虚拟阻尼注入的无源电流控制策略。与传统定阻尼注入的无源控制策略相比,该无源电流控制策略具有跟踪电流稳态误差更小,误差衰减速度更快、谐波畸变率低和功率因数高的优点。仿真和实验结果表明,改进的单向混合整流器拓扑结构及所提无源电流控制策略是有效的。

单向混合三相电压航空整流电路功率控制

为了满足航空中频电源高效率、高可靠性及低谐波畸变率的要求,针对单向混合三相电压型整流器(UHTPVSR)拓扑结构特点,提出了一种最优功率控制策略。首先,对UHTPVSR进行总功率计算,按Vienna整流器承担较小负载功率,且确保其输入电流不失真的情况下,得到Vienna与SSTPR之间的最优功率配比;其次,通过输出功率瞬时值,按最优功率配比,计算出功率外环有功参考电流的前馈参考值,从而设计内环无源电流控制器。理论分析和仿真结果表明,当功率配比kPaa=0.5时,UHTPVSR效率为90.3%,SSTPR效率为94%,Vienna效率为86.7%,且UHTPVSR谐波畸变率为3.3%。

采用二极管整流单元和模块化多电平换流器的混合型远海风电送出方案

目前基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统是远海风电并网的典型方案,而整流站采用二极管不控整流单元(diode rectifier unit,DRU)可以进一步提升直流输电系统的经济性和可靠性。基于DRU的海上风电并网方案能否实施的关键在于海上交流系统电压的幅值和频率能否得到有效控制。为此,提出在整流侧采用DRU和MMC并联的混合型远海风电送出方案。首先,阐明了混合型远海风电送出系统的拓扑结构和运行特性,DRU承担全部海上风电功率传输任务,整流侧小容量MMC用来建立海上交流系统的交流电压幅值和频率,并为DRU提供无功功率补偿。针对这一控制目标,提出混合型远海风电送出系统协调控制和故障穿越策略,其中,整流侧MMC采用附加有功功率控制的交流电压幅值/频率控制,风电机组在海上交流系统故障时主动降低输出电流。最后,在PSCAD/EMTDC中对风速波动、海上交流系统短路故障、陆上交流电网短路故障进行电磁暂态仿真,验证所提出方案的可行性。

单向混合三相电压型整流器技术

为满足工业对整流器的综合性能要求,尤其是对效率、功率密度的要求,国外学者开始了单向混合三相电压型整流器(UHTPVSR)的研究。为促进UHTPVSR的研究,本文对国外不同类型的UHTPVSR进行了分析,指出了存在的诸多不足,提出了应该解决的关键问题,为我国进行UHTPVSR研究作为参考。

具有阻感负载的三相双向混合电压型整流器的研究

对一种三相混合电压型PWM整流器进行了研究。根据拓扑结构分别建立了Boost变换器的欧拉-拉格朗日EL(Euler-Lagrange)数学模型和PWM整流器的端口受控耗散哈密顿PCHD(port control hamiltonation with dissipation)模型。PCHD模型进行无源控制器设计不仅能进行阻尼注入,还能进行能量成型,无源控制器设计更为灵活。基于三相混合电压型整流器的无源性,采用一种外环采用PI控制,内环采用无源控制的无源混合控制方案。仿真验证了该无源混合控制器在整流器带阻感负载情况下运行的可行性。

一种单向混合三相电压型整流器及其控制

对现行单向混合三相电压型整流器(Unidirectional Hybrid Three Phase Voltage Source Rectifier,UHTPVSR)的拓扑结构和工作原理进行了分析,为提高UHTPVSR的综合性能,对其拓扑结构进行了改进,提出了一种外环采用PI控制,内环采用无源控制的混合控制方案。分别建立了Boost变换器和VIENNA整流器的端口受控耗散哈密顿(PCHD)模型。并采用能量成型的方法,利用IDA-PBC控制算法设计无源控制器。无源混合控制方案克服了现有控制方案的不足,具有优秀的电流跟踪能力、很强的鲁棒性且易于实现。仿真结果验证了所提无源混合控制方案的有效性。

基于改进PWM控制的串联型三相混合型整流器的设计

随着社会的发展,直流电的应用已深入日常生活的方方面面,由此需要设计一款合适的整流器将交流电转化为直流电.现有的整流器有不控整流器、PWM整流器及混合整流器等,不控整流器直流侧需要较大的滤波电容,这对电容的要求比较高,而PWM整流器虽然控制灵活,但是容易产生谐波.现有混合整流器多为并联型结构,控制方式较为复杂.本文对比分析不控整流和PWM整流的优缺点,并在此基础上设计一种串联型混合整流器.仿真结果表明,本设计可以在保持直流侧电压稳定的前提下,大幅降低直流侧滤波电容的容值.

一种具有阻感负载的三相混合电压型整流器及其控制

对一种三相混合电压型PWM整流器进行了研究。根据拓扑结构分别建立了Boost变换器和PWM整流器的EL(Euler-Lagrange)数学模型,基于三相混合电压型整流器的无源性,采用一种外环采用PI控制,内环采用无源控制的无源混合控制方案。该无源混合控制器具有更好动静性能,更优秀的电流跟踪效果,鲁棒性好,易于实现的特点,优于现行的其他控制策略。仿真验证了该无源混合控制器在整流器带阻感负载情况下运行的可行性。

一种新型单向混合三相电压型整流器

将Vienna整流器与单管升压不控整流器相并联,得到一种新型结构的单向混合三相电压型整流器。分析其拓扑结构和工作原理。

基于T型中点钳位的单向混合三相电压型整流器

分析当前的单向混合三相电压型整流器(UHTPVSR)的拓扑结构和工作原理,并对其拓扑结构进行改进。提出基于T型中点钳位(TNPC)的单向混合三相电压型整流器拓扑结构,分别建立了Boost变换器和TNPC整流器的Euler-Lagrange(EL)模型,基于此模型,采用外环PI,内环无源的无源混合控制策略。在Matlab/Simulink中建立模型进行仿真,仿真结果说明无源混合控制策略具有强鲁棒性、动态性能好、抗干扰能力强等优点。

变拓扑混合双12脉波整流器的电流预测控制

多脉波整流技术是大功率整流系统抑制谐波电流的主要手段之一,传统的24脉波整流器串联工作时存在网侧谐波电流过高的缺陷。为此,对传统24脉波整流器进行改造,通过增加若干切换开关,得到一种具有混合工作模式的变拓扑双12脉波整流器。研究了开关状态的不同组合与串联、并联和冗余工作模式的对应关系,详细分析了混合工作模式的等效电路和电流预测控制的实现机理,进一步研究了电流预测控制策略实现不同工作模式间的快速切换和输出电流的快速响应问题。最后,通过仿真分析和实验验证了电流预测控制策略的有效性,结果表明在相同负载电压下,混合模式的网侧谐波电流低于串联模式。

基于整流侧辅助调控的交错并联LLC谐振变换器

交错并联技术是提高电源模块输出能力的有效手段,谐振腔参数的微小差异会导致交错并联LLC谐振变换器严重的不均流问题。该文通过在LLC谐振变换器的高频整流电路中引入有源开关、构建混合型整流器,利用整流侧的辅助控制,主动对输出电流较小模块的电压增益进行补偿,从而实现了相同开关频率交错并联运行的LLC谐振变换器的均流调节。文中详细分析混合整流LLC谐振变换器的工作原理和特性,并根据具体应用场景给出均流电路的不同实现方式。最后,通过实验结果证明了所提出的均流控制方法的可行性和有效性。

具有串并联自调整型倍流整流结构的交错并联移相全桥变流器

文中提出了一种副边采用混合型倍流整流结构的交错并联移相全桥（phase shift full-bridge,PSFB）变流器拓扑。该变流器的副边整流结构具有串并联自调整特性：2个变压器副边绕组在占空比小于移相角时,并联工作;当占空比大于移相角时,变压器副边串联工作。采用该串并联整流结构的变流器工作范围较宽,并且降低了副边整流二极管的应力,提高了变流器的效率。交错并联的工作模式减小了输出电感电流的纹波和滤波器的体积。文中给出了电路的工作原理,电路设计步骤和参数设定,最后搭建了200-400 V输入50 V/20 A输出的电路样机,证明了理论分析的正确性。

UHTPVSR直流侧电压控制与功率分配策略优化

针对单向混合三相电压型整流器直流侧电压采用PI控制难以使其获得优秀动态性能的不足,将自抗扰控制技术应用到单向混合三相电压型整流器直流侧电压控制中,可提高系统的稳态精度、动态响应速度以及系统的抗干扰能力.同时,为改善单向混合三相电压型整流器的功率分配和抑制切换点尖峰电流,提出对各整流器期望输入电流进行调整的策略.通过计算机仿真结果验证了所提方法的可行性,对于单向混合三相电压型整流器在实际工程中的应用具有指导意义.

恒温恒压控制系统研究与分析

本文通过分析恒温恒压控制系统的工作原理指出了可能出现的异常和处理方法,整理出标准化的处理方法和改进措施,经过试验验证了这种恒温恒压控制系统的可靠性。