电力电子变压器直流端口传感器位置选取方法

为了保证电力电子变压器端口故障切除快速响应,在直流端口侧会配有直流固态开关。而当电力电子变压器直流端口电压已经建立,在固态开关闭合瞬间,电力电子变压器直流端口的电容会对固态开关内电容进行充电,在考虑线路阻抗特性情况下,直流端口传统位置的电流传感器会由于线路阻抗和固态开关中电容产生振荡,严重会引发过流保护整机闭锁。文中对电力电子变压器直流端口进行建模分析,简化成RLC电路串联响应特性,对电力电子变压器直流侧的电流振荡波形展开分析,并提出了电流互感器测点优化选取原则,仿真和试验验证了所提理论的正确性。

具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器

为解决柔性直流电网中混合式直流断路器成本高以及盲目重合闸的问题,提出了一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器。所提断路器能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器,配合电容充电回路的导通,将本应经避雷器耗散的限流电抗器能量转移到电容中,从而有效减少了故障隔离时间与避雷器能量耗散压力,并为故障性质的判别提供了能量支持。同时,该断路器通过共享主断路器的方式实现故障隔离,结合避雷器泄能需求的下降,大大降低了断路器的制造成本,在经济性方面优势明显。此外,该断路器利用故障识别电流与电容电压在永久性故障与瞬时性故障下的幅值差异来识别故障性质,实现了自适应重合闸,操作简单且易于控制。最后,利用PSCAD/EMTDC在三端MMC柔性直流系统环境下对所提方案的有效性进行了仿真验证,并通过与其他方案的对比分析,证明了所提方案的优越性。

三端口直流变换器的光储实验平台设计

针对光储实验平台硬件封闭、占地空间大的问题,开发了一套基于项目驱动、模块化的三端口直流变换器实验平台。首先构建基于三端口直流变换器的实验平台,其次设计光伏、储能及负载的功率变换拓扑,然后建立变换器控制系统并研究控制策略;设计主电路电感、电容参数及系统电路,进行控制系统软件设计;最后完成软硬件实验平台测试与分析。实验结果表明,三端口直流变换器负载电压调整率小于2%,系统效率高于94%,光伏侧实现最大功率点跟踪(MPPT),蓄电池实现稳定充放电功能。

新型多端口直流潮流控制器及其控制策略研究

直流潮流控制器是实现多端直流电网稳态潮流调节的关键装备,针对现有直流潮流控制器的局限性,通过在环形支路中串入输出直流电压可调节的级联子模块的方式,设计了一种新型多端口直流潮流控制器。首先,对所提控制器的拓扑结构和工作原理进行了阐述;然后,介绍了其控制策略和参数选择方法;最后,通过一个具有八条直流线路的五端直流电网的电磁暂态仿真案例对直流潮流控制器的性能进行验证。结果表明:所提控制器能够同时调节同一直流母线所连接的多条直流线路上的潮流,具有模块化和易扩展的优势。

具备故障电流限制能力的多端口直流断路器

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断的重要装备。然而,目前每条直流线路两端均需配备一台价格昂贵的二端口混合式直流断路器,这严重限制了其在未来新型电力系统中的规模化应用。该文提出一种具备故障电流限制能力的多端口直流断路器,在实现故障双向阻断的基础上,与常规方案相比故障电流峰值下降了38.0%、避雷器能量耗散应力下降了61.21%。更为重要的是,所提断路器完成直流母线故障隔离后,与故障母线相连的健全直流线路仍可以进行正常功率传输,最大程度地保障了柔性直流电网的健全和持续可靠运行。首先,分析了直流断路器在故障工况下的故障电流阻断原理,并对各个动作过程进行了理论推导;然后,揭示了电容和电感参数对断路器限流性能的影响机理,确定了限流单元的元件选型方法;最后,基于PSCAD/EMTDC对所提具备故障电流限制能力的多端口直流断路器进行了仿真分析,结果表明,所提多端口直流断路器具有较强的有效性和适应性。

星形共直流母线多端口电力电子变压器多状态可靠性模型及应用

星形共直流母线多端口电力电子变压器(star common DC bus multiport power electronic transformer,SBM-PET)各端口故障相互独立,具有多运行状态特点,目前缺少能有效表征其多状态可靠性的数学解析模型。为此提出一种SBM-PET多状态可靠性模型,并将其应用于交直流配电网可靠性评估。首先分析了SBM-PET结构及工作原理,根据SBM-PET各组成模块特点及故障影响范围对其进行功能模块划分,在此基础上考虑元件冗余配置建立SBM-PET各功能模块可靠性模型。然后根据SBM-PET各功能模块停运情况,基于马尔可夫过程建立SBM-PET多状态可靠性模型,求解SBM-PET不同状态下的概率、频率及平均持续时间可靠性指标,并基于此建立交直流配电网可靠性评估模型。最后算例分析计算了SBM-PET多状态可靠性及交直流配电网可靠性,结果验证了所提模型的有效性。

多端口直流变换器的协调控制研究

协调控制技术是保证直流微电网高效可靠运行的关键。目前业内更多关注基于两端口互联装置的简单直流微网的功率协调控制,而对多端口直流微网系统的协调控制较少涉及。提出了一种由光伏端、中低压直流端、负荷端等组成的多端口直流变换器的拓扑结构,分析了各端口运行特性、功率控制能力、运行模式及其转换方案,并通过MATLAB/Simulink平台进行了系统多模式切换及稳态运行仿真验证。分析结果表明:该控制方法能够实现多端口变换器的能量合理分配和直流电压的协调控制,保证了系统在不同模式下的可靠运行。

基于多端口直流变换器的光伏电池DMPPT实验平台研制

光伏电池作为一种清洁高效的新能源受到广泛关注,但其子模块在串联使用过程中因不均匀老化、局部遮光等原因易发生功率失配,从而产生“热斑效应”,降低光伏电池的利用率和使用寿命。为了使学生深入了解光伏电池模型及其串联不匹配带来的特性表征以及如何解决这一问题,该文研制了一个基于多端口直流变换器的光伏电池DMPPT(distributed maximum power point tracking,最大功率点跟踪)实验平台。首先,对光伏电池进行建模并分析了光伏电池的串联失配特性;然后,分析研究了多端口直流变换器在光伏模块串联应用中的电压均衡策略;最后,研制了36 V/200 W基于多端口Buck-Boost直流变换器的DMPPT实验平台,得到了系统稳态波形,并与采用二极管旁路的方式进行了对比。学生可通过该实验平台和该实验案例更加深入地了解光伏电池模型及其失配特性,以及如何采用多端口变换器实现光伏电池的DMPPT,掌握光伏电池的建模方法,培养发现问题、解决问题、仿真验证的实践能力。

多端口直流直流自耦变压器

该文提出了一种多端口直流–直流自耦变压器的拓扑,该多端口直流自耦变压器用于互联多个直流电压等级不同的直流系统。提出了多端口直流自耦变压器的潮流直接分析法以及潮流分解分析法,推导了多端口直流自耦变压器中各换流器额定电压与额定功率设计方法,设计了多端口直流自耦变压器的控制策略。以一个三端口直流自耦变压器为测试算例,在PSCAD/EMTDC下仿真验证了多端口直流自耦变压器的技术可行性。以互联±250、±320 k V和±400 k V直流系统为例,假设±250 k V和±320 k V系统的额定输入/输出功率分别为500 MW和1 000 MW,采用常规的多端口直流–直流变换器技术所需要的换流器总容量为3 000 MW,而采用多端口直流自耦变压器技术所需要总的换流器仅为775 MW,所使用的换流器总容量仅为现有技术的26%,显著节省了成本,降低了运行损耗。

适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器

现有的直流潮流控制器大多为双端且仅能辅助控制一条线路上的潮流。为全面控制直流电网潮流分布,文中提出了一种适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器,它可以同时控制多条线路上的潮流且易于拓展。首先,在充分研究已有直流潮流控制器的基础上,提出了多端口直流潮流控制器的拓扑结构并详细阐述了工作原理;其次,研究了多端口直流潮流控制器的等效电路,进而设计了能够使其稳定运行的控制策略;最终,在RT-LAB仿真平台中搭建了舟山五端柔性直流输电系统并安装了三端口直流潮流控制器,对所提拓扑结构和控制策略进行了仿真验证。

适用于海上风电的多端口直流变电站及其主从控制策略

提出多端口直流变电站的拓扑结构,并建立了相应数学模型;该变电站可以实现不同类型、多电压等级的多送端海上风电场和多受端高压直流输电系统的互联,并实现直流潮流的集中调控。将多端口直流变电站应用于多电压等级海上风电并网,并提出多端口直流变电站的主从控制策略,利用直流变电站各端口的协调实现风功率波动时或任一端口故障时变电站的正常工作。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了含多端口直流变电站的多端直流试验系统仿真模型,并针对所提出的主从控制策略进行了稳态仿真分析和故障仿真分析,结果表明该策略能够保证多端口直流变电站的稳定可靠运行。

一种面向舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器

中压直流舰船综合电力系统(IPS)在全电舰船中具有广阔的应用前景,随着舰船综合电力系统容量和电压等级的提高,越来越多的储能单元应用于舰船综合电力系统,传统的能量单向流动两端口直流变换器已经不能适应新的应用需求。针对此问题,该文提出一种面向未来舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器。该三端口变换器可以连接中压直流电网、低压直流电网和分布式储能单元,每个端口均可实现能量双向流动。分析该模块化三端口直流变换器的拓扑结构、工作原理,梳理该三端口变换器在不同工况下的能量流动模式,结合变换器的能量流动模式,建立该变换器自适应控制策略。该文在一台额定功率为20kW的模块化三端口直流变换器样机上,对所提的原理分析和控制策略进行了实验验证。

多端口电感耦合型高压直流限流断路器

直流电网接地故障将引起换流器闭锁,进而扩大故障影响面积,配置直流限流器及直流断路器是解决上述问题的通用方案。运用了2组耦合电感,针对高压直流电网设计了多端口直流限流断路器。该设备包括初级限流器、故障隔离限流器、引流支路3个部分,其中前两者串联在同一直流母线的各条线路中,引流支路是各条直流线路所共用的部分。不同部分的开关器件通过相互配合、互相借用的方式来提高限流断路器的经济性。在PSCAD仿真软件上搭建了张北四端直流电网模型,并与其他几种已有方案进行了比较,结果表明文中所提出的限流断路器能够在6ms内完成电力电子器件相关动作,各开关组所受冲击电压较低,若将其应用于n端口直流母线,则仅需要(26n+502)个开关组,经济性较高。

多端口直流潮流控制器抑制次同步振荡阻尼控制策略研究

近年来,仿照传统交流潮流控制器的思想,提出了直流潮流控制器的概念,并针对其拓扑实现方案、稳态运行控制策略以及参与潮流调节时的系统运行特性展开了系统的研究。针对多端口直流潮流控制器(multi-port DC power flow controller,M-DCPFC)运行控制问题,提出了一种M-DCPFC新型控制控制方法,进一步扩展了M-DCPFC的功能性。在保证系统潮流调度需求的基础上,其能够在输电线路上引入补偿虚拟阻尼以抑制换流站次同步振荡电流在直流网络内的传播与扩散,有效地限制了故障影响范围和提高了整体输电系统的可靠性。文中详细分析了次同步振荡下M-DCPFC的阻尼控制机理,并设计了有效的控制策略。最后,在基于RT-lab的实时模型在环仿真测试系统中搭建了5端柔性直流输电系统模型,对所提控制策略进行了不同算例下的验证分析,结果表明了其有效性。

考虑母线故障的低通流损耗多端口整流型混合式直流断路器

混合式直流断路器是当前柔性直流电网最为理想的故障隔离方式,但是投资成本高限制了其大范围的应用。为了降低混合式直流断路器的成本,提出了一种多端口整流型混合式直流断路器拓扑,选择开关采用简单可靠的二极管桥式整流结构,负载转移开关和主断开关采用单向开断子模块,并通过电流转移控制策略的优化,使得直流断路器具备电流双向开断、设备成本低和通流损耗低等优点;同时,增加了一条母线保护支路,实现了直流母线故障隔离和公共母线故障保护。文中首先详细介绍了所提拓扑在不同故障工况下的工作原理以及内部组件的动作策略;然后,与现有拓扑进行了经济性和电气性能的对比分析,突出所提拓扑的优越性;最后,设计并搭建了一台三端口整流型混合式直流断路器样机及其试验系统,通过试验验证了所提拓扑的有效性和可行性。

计及多端口直流潮流控制器的直流电网潮流计算

基于含模块化多电平换流器的多端口直流潮流控制器(MDCPFC)的工作原理,提出了一种计及MDCPFC的直流电网潮流计算方法。该方法将加装的MDCPFC用安装支路端点的节点注入功率的修正量来表示,使得运算简便,从而提高了运算效率。以舟山五端柔性直流工程为例,通过对比加装MDCPFC直流电网的潮流计算结果与PSAT软件计算结果以及加装2个直流潮流控制器的计算结果,验证MDCPFC的控制效果更好。

三端口双向直流变换器的负序平衡应用

基于三端口双向直流变换器能实现各端口之间有功能量自由传输的特点,提出了其在负序电流平衡方面的新型应用方法及电路拓扑.该方法克服了传统负序电流平衡方法不能实现三相桥臂之间有功能量交换的问题,能有效改善三相电网的不平衡问题.本文对三端口双向直流变换器工作原理、负序电流平衡方法,以及基于该方法的负序平衡系统容量关系进行了详细分析,提出了系统控制策略.通过仿真验证了三端口双向直流变换器负序平衡应用的可行性及系统控制策略的有效性.在合适的控制策略下,本拓扑能同时实现包括负序、无功和谐波电流在内的综合补偿.

基于扩展状态平均法的隔离型多端口移相全桥双向直流变换器建模研究

建立了一种用于混合储能系统的隔离型多端口双向直流变换器的一般数学模型。通过星-网变换建立了移相控制下直流变换器多端口网型等效电路,通过扩展状态平均法建立了N端口变换器在电感电流连续时的状态平均模型和小信号模型,并分析了各端口之间传输的功率。仿真比较了不同端口数下变换器的模型输出和拓扑输出,并以三端口变换器为例,分析了移相比扰动和端口电源下的模型和拓扑电路的动态响应。结果表明,所提多端口直流变换器的数学模型能够准确反映移相控制下多端口变换器的稳态性能和动态性能,且在端口电压不受约束的前提下,对于不同端口数量的直流变换器具有普遍适用性。

一种具备限流能力的多端口直流断路器

高压直流故障限流器(fault current limiter,FCL)及断路器(DC circuit breaker,DCCB)在直流电网保护中具有重要作用。该文提出一种具备限流能力、通态损耗低、主限流电路采用晶闸管器件的多端口直流断路器(multiport DC circuit breaker,Mp-DCCB),分阶段对新型拓扑的限流过程及断路过程进行理论解析。分析电压电流应力、避雷器耗能与Mp-DCCB关键参数的关系,给出Mp-DCCB参数设计方法。对所提Mp-DCCB的限流和断路能力进行仿真验证,证明Mp-DCCB可代替多个常规DCCB,并减少对避雷器的耗能要求。

基于三端口双向直流变换器的负序电流平衡方法的研究

本文提出一种基于三端口双向直流变换器的新型负序电流平衡方法及其拓扑,该方法通过三端口双向直流变换器实现了三相电网间的有功能量交换,能有效改善电网三相电流不平衡问题。本文分析了电路基本工作原理,提出了系统的三相负序平衡控制策略。仿真结果验证了本文提出控制策略的有效性以及负序电流平衡方法的可行性。在合适的控制策略下,本拓扑能同时实现对包括负序、无功和谐波电流在内的综合补偿。