直流–直流自耦变压器

该文提出了一种直流–直流自耦变压器的拓扑,用于互联两个电压等级不同的高压直流系统。常规的隔离型直流–直流变换器一般需要经过直流–交流–直流两级交/直变换,两个互联的直流系统之间没有直接的电气连接,而直流自耦变压器所互联的两个直流系统之间有直接的电气连接,只有部分互联功率需要经过两级交流/直流变换。为此,直流自耦变压器所使用的换流器总容量低于常规直流–交流–直流变换技术。该文详细介绍了直流自耦变压器的拓扑,推导了直流自耦变压器中每个换流器的额定直流电压和额定功率的设计方法,设计了直流自耦变压器的控制策略,在PSCAD/EMTDC下仿真验证了直流自耦变压器的可行性。研究结果表明,所提出的直流自耦变技术能显著降低所使用的换流器容量,并降低运行损耗。

具备阻断直流故障电流能力的直流–直流自耦变压器

提出具备阻断直流故障电流的两端口直流–直流自耦变压器。共提出两种方案,分别为将直流自耦变的第一、第三换流器改造为具备阻断直流故障电流能力的换流器,以及在直流自耦变直流高低压直流端口间安装直流断路器。论述了两种方案的拓扑结构,推导了两种方案下所使用的换流器总容量随变比的关系,分析结果表明,安装直流断路器的方案所使用的换流器总容量少于改造换流器的方案。仿真验证了加装直流断路器方案的有效性,结果表明,在变比为1-2.5的范围内,两种方案下,具备阻断直流故障电流的直流–直流自耦变压器所使用的换流器总容量始终小于1.3倍互联功率,且所使用换流器总容量随变比降低而降低;而常规的直流–交流–直流变换技术无论变比如何变化,所使用的换流器总容量始终为2倍的互联功率。在PSCAD/EMTDC下仿真验证了所提出的保护方案的正确性。

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。

直流自耦变压器样机设计与实验验证

当互联不同电压等级的直流输电系统时,需要利用直流变压器技术。直流自耦变压器凭借其结构特点,被认为是最具经济性的拓扑之一。文章研制了由两电平电压源型换流器组成的直流自耦变压器（DC AUTO）实验样机。通过将双向DC AUTO中特定的电压源换流器闭锁便可将其重构为单向直流自耦变压器。设计了实验样机系统主接线,研究了各VSC换流器单元在不同工作模式下的控制策略及其控制系统架构,提出一种应用于单向直流自耦变压器的带电流保护的双环控制器,详细分析了实验样机的启动方法及其功率传输特性。通过直流功率传输实验验证了不同类型的直流自耦变压器的可行性,实验结果表明,实验样机在稳态直流功率传输、潮流反转等工况下具有较好的静态和动态性能,系统功率响应迅速且跟踪准确。

城市轨道交通直流自耦变压器牵引供电系统

现有城市轨道交通直流牵引供电系统普遍采用走行轨回流,存在危害性很大的长时间迷流,且防不胜防。提出一种新的直流牵引供电系统,即直流自耦变压器(DCAT)牵引供电系统,能很好地解决轨道电位和迷流问题。以传统的直流牵引供电系统为基础,增加由电力电子开关和直流电容器构成的DCAT及回流线,构成DCAT牵引供电系统。分析表明,DCAT牵引供电系统不仅能解决轨道电位和迷流,还可兼作储能装置,将列车再生制动时的能量回收再利用,同时,在线路绝缘耐压和车辆供电电压不作任何改动的情况下,DCAT牵引供电系统牵引网的电压是传统直流牵引供电系统牵引网电压的2倍,可大大减少线路的电压损失和线路损耗,从而进一步提高能源利用效率。

应用于直流电网的新型直流自耦变压器

为了满足直流电网对直流变压器高效率、低成本的迫切需求,改进传统直流变压器设计容量大、效率低的不足,研究了一种基于改进的双向隔离型DC/DC变换器串并联结构的新型直流自耦变压器(DC AUTO)拓扑,只有部分功率经过变压器传输,可部分降低变压器的容量和设计成本,可依据两侧直流系统的电压等级灵活地对子模块进行串并联组合。采用交错并联控制减小了子模块的滤波电感和电容值从而降低了子模块体体积和成本。为了确保系统稳定运行,采用电容电压均衡控制和平均控制实现系统均压及均流。根据两侧是有源或无源特性提出2种整体控制策略。最后,对所提出的拓扑和控制策略进行仿真分析和实验验证。

单向推挽式直流自耦变压器拓扑及其控制策略

基于推挽式直流自耦变压器(PPDAT),本文提出了一种新型单向直流变压器,根据功率传输方向,可划分为升压型PPDAT(UU-PPDAT)与降压型PPDAT(DU-PPDAT)两类单向直流自耦变压器拓扑。首先,介绍了UU-PPDAT与DU-PPDAT的拓扑与工作原理,两类拓扑中都包含桥臂(串联半桥子模块)、四绕组变压器与全波整流电路。基于四绕组变压器的特定属性与桥臂输出电压控制,UU-PPDAT与DU-PPDAT能够实现对各绕组两端电压的精准控制,进而控制全波整流电路对电容的充电功率,维持互联直流系统间功率的正常传输。其次,设计了适用于UU-PPDAT与DU-PPDAT的通用型控制策略,基于功率传输要求得到桥臂输出电压交流分量,结合桥臂输出电压直流分量与阀级控制,得到桥臂中串联子模块开关信号。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真验证了单向PPDAT拓扑及其控制策略的可行性与有效性。

直流-直流自耦变压器及其扩展技术

总结了一类新型的直流-直流变换技术—直流自耦变压器(DC AUTO)的设计与发展。阐述了直流-直流自耦变压器对直流电网的作用,以及DC AUTO的提出历程及其支撑技术,并把DC AUTO与常规交流自耦变压器作了类比。分析了具备双向直流故障隔离能力的DC AUTO的成本和损耗,并总结了多端口DC AUTO、混合型DC AUTO、单向DC AUTO、网间联络器等多种扩展技术,指出在中、低变比领域,DC AUTO可以取代常规DC/AC/DC技术。

具备无闭锁穿越直流故障能力的直流自耦变压器

首先,分析了目前直流自耦变压器技术的特点及其缺陷所在,针对目前直流自耦变压器无法穿越直流故障的问题,分析了直流自耦变压器穿越直流故障的需求,在其基础上结合混合型模块化多电平换流器的特点,设计了具备无闭锁可穿越直流故障的直流自耦变压器子模块数目配比。其次,设计了该变压器的控制策略,保证其在正常工况和故障工况下的稳定运行。最后,在PSCAD/EMTDC下搭建了测试系统,验证了所提无闭锁穿越直流故障直流自耦变压器技术的可行性及控制策略的有效性。

基于无闭锁直流自耦变压器的LCC-HVDC与VSC-HVDC互联系统

为了满足未来不同电压等级、不同类型的直流电网互联的需要,研究了一种通过无闭锁直流自耦变压器(DC AUTO)连接基于电网换向换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)和基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)的互联系统。该互联系统可以充分利用两种高压直流技术各自的优势,实现灵活的双向有功功率传输,并且可以在不闭锁任何器件的同时有效穿越直流故障。首先,提出该互联系统的拓扑并简要分析其基本优势,然后分别为VSC-HVDC、无闭锁DC AUTO、LCC-HVDC设计可行的控制策略以确保系统在正常工况和故障状态下的稳定运行,最后在PSCAD/EMTDC平台下搭建了该互联系统仿真模型,并通过仿真结果证明了该互联系统的可行性与所提控制方案的有效性。

城市轨道交通直流自耦变压器牵引供电系统故障保护研究

直流自耦变压器(DCAT)牵引供电系统凭借良好的轨道电位和杂散电流治理能力在城市轨道交通领域具有广泛应用前景。然而当直流牵引供电网络发生短路或DCAT自身故障时,传统DCAT由于缺乏故障保护能力,其直流支撑电容和谐振电容可通过故障处放电,进而导致DCAT器件损坏和故障扩散等。为此该文提出了一种故障保护型直流自耦变压器(FP-DCAT),在分析FPDCAT工作原理基础上,研究了FP-DCAT系统的故障机理,并提出相应的故障保护方案。FP-DCAT故障保护后系统仍可正常运行,但轨道电位和杂散电流却可能因故障FP-DCAT切除而增大,因此研究了故障保护对系统轨道电位和杂散电流的影响。最后,仿真结果表明FP-DCAT系统可有效地实现故障保护,且系统轨道电位和杂散电流变化与理论分析一致,确保FP-DCAT系统在城市轨道交通中安全可靠的运行。

适用于直流电网的推挽式直流自耦变压器及其控制策略

基于双有源桥拓扑结构的能量传输机理,通过融合直流自耦变压器与模块化多电平换流器的拓扑演绎规律,提出了具有高传输效率和高运行可靠性的推挽式直流自耦变压器。分析了推挽式直流自耦变压器的工作机理、控制策略和系统参数对运行特性的影响。通过采用特定拓扑结构的四绕组变压器并结合推挽式工作模式,推挽式直流自耦变压器内部的特定四绕组变压器可由2个相同的单相双绕组变压器等效代替分析,极大简化了稳态控制策略的设计难度。PSCAD/EMTDC仿真验证了推挽式直流自耦变压器的技术可行性与有效性。

推挽式直流自耦变压器直流故障隔离策略

推挽式直流自耦变压器功率传输效率高,但其并不具备电气隔离能力。通过配置直流断路器或全桥子模块等现有技术虽能够隔离直流故障,但存在成本高昂问题。为了降低直流故障隔离成本,研究了推挽式直流自耦变压器的直流故障隔离策略。首先,介绍了推挽式直流自耦变压器的拓扑与工作原理,分析了四绕组变压器的运行特性,推导建立了推挽式直流自耦变压器端口电压与桥臂输出电压间的关系。然后,基于直流故障响应特性的分析结果,提出配置直流故障隔离组件的推挽式直流自耦变压器,给出相应的直流故障隔离策略。当发生直流故障时,推挽式直流自耦变压器可以快速控制端口电压、阻断故障电流,从而维持非故障直流系统稳定运行,并降低设备造价。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真验证了推挽式直流自耦变压器直流故障隔离策略的可行性与有效性,并对比了多种具备直流故障隔离能力的直流变压器的技术经济性。

面向能源互联网的多端口DC/DC能源路由器控制策略研究

分析了目前多端口直流(DC, direct current)转DC(DC/DC)能源路由器的特点和缺陷,优化设计了一种面向能源互联网的多端口DC/DC能源路由器。通过对不同工况下运行电压的需求分析,对多端口DC/DC能源路由器进行了子模块全桥比例设计,在此基础上提出了一种实现无闭锁穿越直流故障的交直流(AC/DC, alternating current/DC)解耦的控制策略。该多端口DC/DC能源路由器用于实现多个电压等级不同的直流电网的相互连接,既保留了传统直流自耦变压器技术低成本、低损耗的优势,又有效改善了其无法应对直流故障的缺点。最后,在MATLAB/Simulink环境进行了仿真测试,验证了该技术正常运行时的稳定性、抑制直流故障的可行性和控制策略的有效性。