HVDC用直流滤波电容器组均压技术研究

本文从HVDC用直流滤波电容器的台架结构出发,研究了台架设计对直流电压分配的影响,研究了电容器外壳连接元件串联段数、泄漏比与直流电压不均匀系数的关系,得出元件串联段数越多直流电压分配越不均匀的结论;结合电容器单元的特点,得出电容器的电时间常数是一个仅与ρε相关的常数的结论,并依据上述结论分析了大容量直流电容器组运行不理想的原因,给出了直流滤波电容器组的设计建议。

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。

采用FPGA减小控制延时的逆变器直流侧电容均压策略

针对应用于电磁发射系统瞬时大功率、大电流工况的,独立双三相共母线五电平NPC/H桥逆变器直流侧电容均压控制策略进行了研究。首先,介绍了研究对象的拓扑结构与均压控制原理。接着,分析了实际调制过程中均压控制延时产生的原因及影响负效果。据此,提出了一种采用FPGA减小控制延时的均压控制策略。通过直流侧电容电压比较电路,FPGA在输出脉冲前进行电容电压大小关系的判断,进行输出通路选择。从而避免均压控制延时导致的均压调节反向现象发生,实现优化电容电压均压效果、抑制电容电压波动的目的。最后,通过实时仿真平台,验证了该均压优化控制策略的可行性和有效性。

改进的级联STATCOM直流侧均压控制策略

针对级联静止同步补偿器(STATCOM)直流侧各H桥模块因损耗差异易产生电压不平衡的问题,在分层控制及能量交换思想的基础上,提出一种改进的相间及相内均压控制策略。在全局稳压控制所得的调制波基础上,通过在相间、相内均压控制时分别叠加一个与有功电流方向平行的误差分量,使触发角微小相移,从而使能量在各相、各H桥模块之间合理分配,达到均衡相间及同相各H桥模块直流侧电压的目的。仿真结果表明,所提方法可以有效均衡STATCOM直流侧相间、相内电压。

±1100kV特高压直流输电工程用直流滤波电容器研制

随着输电距离超过3000 km,输电容量超过1200万千瓦,直流输电工程系统电压必须从800 kV提高到1100 kV,是世界最高电压等级,是世界首创,没有历史经验借鉴,给直流滤波电容器的研制带来了许多新课题。该文从直流滤波电容器单元的总体方案设计,到单串电压和场强选取、分布式均压电阻的选取、添加剂配方、电阻阻值范围和电容偏差的控制等关键问题展开研究,全面介绍了直流滤波电容器的研制和试验结果,通过对直流电容器直流电压的分布研究,发现了直流击穿电压是交流击穿电压的1.78倍左右,而不是过去认为的2倍,确定了介质结构和110.0 MV/m场强参数;根据直流电容器分布原理不同,研究外均压和内均压的均压效果及发热情况,确定了分布式均压电阻阻值Rg为3 MΩ;通过局部放电性能和耐电强度对比研究,加入适当的GRY611抗老化添加剂,可以减缓油的老化,延长了电容器的寿命;通过对控制电阻阻值范围和电容偏差研究,保证了产品运行的稳定性。研制的直流电容器及其装置,通过了单元试验验证和现场运行考验,满足了±1100 kV直流输电工程运行要求。

电容降压直流电源的稳压设计

本文分析了电容降压直流电源的内阻和电压稳定系数，提出使用并联稳压器来改善电压稳定性，对并联稳压器的稳压特性作了分析计算，提出了自己的一些见解．

新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略

通过深入分析一种新型电压源换流器(voltage source converter,VSC),即模块化多电平VSC的本质工作机制,从换流器桥臂功率脉动与能量脉动角度,结合子模块电压纹波系数,对其子模块电容参数进行合理设计;并针对其关键的各子模块电容电压均衡问题,提出一种切实、可行的均压策略,有效确保了各子模块电容电压处在相同的等级范围,各功率半导体器件承受相同的应力;同时也给出一种简单且有效的子模块电容预充电策略,与传统通过交流系统为电容充电方式所不同的是,此预充电策略控制灵活,无需采用抑制冲击电流的限流电阻,并且可以使VSC具有一定的"黑启动"能力。通过仿真较好地验证了上述各种策略。

不拆解直流耦合电容器均压电阻对电容元件测量的影响分析

在高压耦合电容器的生产过程中,需要测量介损异常的产品每只元件的电容量和tanδ值。为提高测试效率,对带有均压电阻的耦合电容器在不拆解均压电阻情况下如何保证测量准确性的问题进行分析。以该类耦合电容器元件为研究对象,通过建立测量单只元件模型,确定均压电阻对电容量和tanδ测量值的函数关系,分析均压电阻值对tanδ值的影响,并在实际的直流耦合电容器上进行了模拟试验,证明了分析正确性,为测量该类电容器元件的电容量和tanδ值提供依据。

特高压直流输电换流阀冲击暂态均压措施研究

冲击暂态工况下,实现各级晶闸管电压分布均匀是换流阀设计的重要工作。随着晶闸管串联级数的增加,电位分布不均匀的累积效应更为突出,需要研究可靠性更高的均压措施。该文提出换流阀冲击暂态建模方法,分析影响换流阀冲击电压分布特性的机理,提出配置屏蔽电容、分散式屏蔽系统、饱和电抗器集中布置等均压措施,分析各项均压措施的可行性。在真型阀塔中,构造出饱和电抗器分散、集中两种布局形式,在相同激励下,分别测试多串联单元的电压分布,验证了均压措施的合理性和可行性。

二极管箝位五电平变换器的直流均压SVPWM快速算法

提出一种适用于二极管箝位多电平变换器的均压多电平SVPWM快速算法,该算法在α′β′坐标系下将多电平SVPWM算法中的参考矢量变换、顶点坐标计算、矢量判区和作用时间计算等分解为快速简单的计算,继而通过遍历所有冗余开关矢量,预测下一开关周期内冗余开关矢量对直流电容电压的影响,选择输出可使直流电容电压回归均衡值能力最强的最优开关矢量。仿真结果比较了传统PWM算法和所提均压多电平SVPWM算法,验证了所提算法的有效性。最后设计了基于可编程逻辑器件的SVPWM算法的控制核心,通过小容量实验系统研究验证了所提算法良好的动静态性能。

±800 kV柔性直流换流阀阀塔均压优化设计

柔性直流输电工程已迈入特高压时代,现有柔性直流换流阀(VSC阀)的均压屏蔽设计已无法满足特高压应用场合。为解决±800 kV VSC阀塔顶部均压管母表面电场强度过大的问题,文中首先利用PTC Creo与ANSYS联合建模技术完成复杂阀塔结构的三维建模与静电场有限元仿真,通过增加与顶部均压管母等电位连接的顶部屏蔽板,有效降低阀塔顶部均压管母及子模块的表面电场强度。然后,提取顶部屏蔽板增加前后的阀塔对地寄生电容参数,分析顶部屏蔽板对操作冲击下模块电压分布的影响。最后,研究阀塔不同均压部件间距对最大电场强度分布的影响,完成±800 kV VSC阀塔均压优化设计,并在阀塔样机上进行冲击电压试验。文中所提优化措施提升了VSC阀在特高压应用场景的安全运行能力,为VSC阀在特高压柔性直流输电工程的应用及设计提供借鉴。

200 kV直流断路器用隔离供能变压器均压设计

隔离供能变压器是高压直流断路器获取能量的核心设备,用于将地电位电能传输至高压直流极线中直流断路器,以保障直流断路器可靠稳定运行。该文介绍的200 kV直流高压隔离供能变压器由4个50 kV变压器级联而成。由于分布电容的存在,极线额定直流电压及冲击暂态过电压不均匀施加在4个变压器上,增加了单个变压器绝缘失效风险。为解决上述问题,该文对高压直流隔离供能变压器进行了电路分析,提取了分布电容参数,完成了均压方案设计及参数配置。在此基础上,通过仿真分析及试验验证均压方案设计将四级隔离变压器承受电压百分比偏差控制在±5%以内。研究结果表明,采用200 M?电阻与1 nF电容并联的均压方式,满足高压直流隔离变压器工程设计和运行要求。

一种单向隔离型谐振开关电容变换器

作为隔离型单向直流变换器常用的整流器件之一,二极管结电容易与变压器漏感发生谐振,导致严重的电压尖峰问题。为此,提出一种基于二次侧移相的单向隔离型谐振开关电容变换器(UI-RSCC)拓扑,其二次侧整流单元由一个开关半桥和二极管半桥组成,避免了二次侧二极管振荡的产生,可实现所有开关器件的零电压软开关(ZVS)。该文在分析UI-RSCC拓扑的基础上,研究了其输入直流电容的电压均衡机制,提出了相应的输出电压控制策略及其软开关条件。结果表明,UI-RSCC可实现输入直流电容电压的自动均衡,降低了开关器件的电压应力;通过复用部分开关,减少了所需的开关器件数量;使用电容滤波即可实现所有开关器件的软开关,且无需额外的钳位电路。最后,通过仿真及实验结果验证了理论分析的正确性。

500 kV直流断路器隔离供能系统均压设计

为解决向500 kV直流断路器提供能量的难题,该文提出一种工频电磁供能系统,采用直流500 kV隔离变压器将能量传输至所处直流母线电位的断路器平台,再通过平台上的隔离变压器将能量传输至断路器内部不同电位点功率单元处。直流500 kV隔离供能变压器由10级50 kV变压器级联而成,平台上隔离变压器由8级50 kV级联而成。变压器自身固有分布电容导致供能系统内部变压器承受电压不均匀,从而造成变压器绝缘击穿,致使供能系统故障。首先,提取了直流500 kV隔离供能变压器及平台上隔离变压器分布电容参数;然后,依据提取的分布参数,完成了供能系统均压设计;最后,通过两种仿真分析方法验证均压参数配置的正确性。研究结果表明:供能系统中直流500 kV隔离供能变压器采用8 nF电容与200 MΩ电阻并联的均压方式,平台上变压器采用200 MΩ电阻的均压方式,可满足500 kV高压直流断路器运行要求。该研究可高压为直流断路器供能设计提供参考。

适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器最新研究进展

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)为多电平换流器家族中的一员,其技术特点非常适用于电压源换流器型高压直流(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)输电领域。为了分析MMC的最新研究进展,首先介绍了MMC的拓扑电路及其工作原理,分析了其技术特点和应用领域,比较了其相对于传统2电平和3电平VSC拓扑的优势所在。然后分别从MMC的数学模型、调制策略、子模块电容均压、预充电、内部环流、控制方面、换流阀试验以及其在VSC-HVDC系统中的工程应用等方面,回顾了MMC目前在国内外的最新研究进展和工程应用现状,并指出了MMC自身的缺点和今后亟待研究的关键问题。已有的研究表明,MMC在电力系统中有着广阔的应用前景,是未来高压直流输电技术的一个重要发展方向。

链式静止同步补偿器预充电稳压方法

以直流侧取电的链式静止同步补偿器(STATCOM)为研究对象,研究链式STATCOM在预充电状态下的直流侧电压的稳定状况。分析了直流侧在不采取稳压方案时各个模块电压发散的原因,总结了三种并联阻抗的稳压方案,分别为直流侧并联电阻、交流侧并联电阻以及交流侧并联电容。从理论上详细分析了模块稳压的机理,经过公式推导,给出各种方案下确定参数的详尽计算过程,并且给出了多个模块下的简化计算公式。最后通过4个模块的低压实验对所述理论进行了实验验证。

含直流电压变换的光伏并网系统单极接地短路电流计算

经直流升压环节升压后与主网相连的光伏并网系统,直流侧发生故障后故障电流迅速上升,严重影响系统的安全稳定运行。论文分析了经Boost全桥隔离变换器(boost full bridge isolated converter,BFBIC)升压后由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)并网的光伏系统拓扑结构,在直流侧单极接地故障情况下研究了该系统中短路电流的放电回路,分析了BFBIC对故障电流的影响,给出了含BFBIC的光伏并网系统在直流侧单极接地故障下的等效电路,提出了短路电流的计算式,并讨论了BFBIC中储能电容大小对短路电流的影响。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了系统模型,仿真结果表明,短路电流计算式与实际结果基本一致,优化储能电容也有利于减小直流侧故障下的故障电流,验证了所提方法及等效电路的有效性。

模块化多电平换流器电容电压优化平衡控制算法

介绍了模块化多电平换流器(modularized multilevel converter,MMC)的拓扑结构及其工作原理,针对MMC子模块电容电压平衡问题,提出了一种新型的适用于采用载波移相正弦脉宽调制技术的MMC电容电压优化平衡控制算法,其本质是调整子模块的导通时间以对其电容电压进行动态调节。分别定义了在系统工作点附近具有相对稳定性的环流抑制系数以及电容均压系数,对子模块调制波进行纵向调整,有效确保MMC子模块电容电压的动态平衡;同时给出了环流抑制系数和电容均压系数的优化目标,以期得到理想的电容电压平衡控制效果。仿真结果验证了所提算法的正确性与有效性。

三电平NPC级联整流器平滑均压调制策略

针对多模块三电平二极管箝位型级联整流器(3LNPC-CR)直流侧电压不均衡问题,在此提出一种平滑均压调制策略,在保证正常工作的前提下,实现了直流侧电压均压过程中各模块输入电平不跳变。通过分析3LNPC-CR的基本工作原理和控制方式,基于载波移相的正弦脉宽调制算法,提出了平滑均压调制算法。最后,采用平滑均压调制算法与冗余矢量切换相结合的策略,解决了模块内电容电压不均衡与模块间直流侧电压不均衡的问题。仿真和实验结果验证了该策略的可行性。