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。

用于HVDC系统互联的高频模块化直流变压器优化控制策略

针对应用于高压直流输电(HVDC)系统互联的高频模块化直流变压器(HFMDCT),以直流电流纹波及高频环节电流应力大小为优化目标,提出了HFMDCT的直流链匹配多电平控制策略。对HFMDCT在多电平控制方法下的直流电流纹波机理进行了分析;通过采用拉格朗日因子法得到优化高频环节电流应力的直流链占空比条件,并以此为依据提出了高频变压器变比的设计原则;同时,为了在直流电压变化时仍可以保证HFMDCT的运行效率,进一步提出了基于直流链匹配多电平控制策略的直流电流纹波优化控制方法。

基于钳位开关电容的高频模块化直流变压器

直流变压器是构建直流配电网的核心设备。鉴于此,为了促进直流配电网的工程化进程与运行可靠性,提出一种基于钳位开关电容的高频模块化直流变压器方案(clamping switched capacitors-based high-frequency modular DC transformer,CSC-DCT)。相比于传统的直流变压器,该文所提的方案不仅集成了原有方案的功率密度高、体积小、运行噪音低、高低压侧隔离等优点,同时也克服了原有方案应用时的众多不足,是一个集冗余子模块设计功能、直流故障处理能力、灵活控制方法、升降压型高频链电压调节能力以及单步直接电压变换功能于一体的换流开关一体化直流变压器。同时,为了更好地利用CSC-DCT的优势,对CSC-DCT的子模块基本调制策略、直流故障处理策略、冗余子模块在线切换策略、控制系统架构及电流、电压以及传输功率特性等进行详细的分析与研究。实验结果验证了该文所提的CSC-DCT及其控制策略的可行性与有效性。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

一种高频链模块化电力电子变压器

电力电子变压器(PET)包含多级电能变换环节和大量元器件,制约了其效率、功率密度和可靠性的提升。基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的应用,本文提出一种高频链模块化PET电路拓扑。采用矩阵变换的方式可减少电能变换环节,并且所提拓扑可减少高频变压器与子模块的数量,具有体积和重量优势。针对该PET,分析了其工作特性与控制策略设计方法。仿真试验结果表明了所提拓扑及控制方法的可行性。

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。

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。

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。

电压自均衡直接耦合式模块化多电平直流变压器

直流变压器是未来直流电网中的关键设备。针对现有直接耦合式模块化多电平直流变压器（modularmultilevel DCtransformer,MMDCT）所存在的交流环流和滤波需求大等问题,该文提出一种适用新能源接入场合的升压型MMDCT（Boost-MMDCT）拓扑及其控制与调制方法。其主要特点在于：1）采用准谐振电路在子模块间构建了平衡功率传递回路,相对现有MMDCT拓扑避免了贯穿桥臂和直流侧的交流环流;2）结合该文提出的相邻子模块互补投切调制方案,实现了子模块电容电压的自然均衡和稳定,控制简单、可靠;3）将加在输入电感上的方波电压幅值限制为单子模块电压,相对现有MMDCT拓扑大大减小了输入滤波电感;4）实现了多数开关的软开关运行和剩余开关的小电流关断,具有较小的开关损耗和电磁干扰。基于Matlab/Simulink,对提出的直流变压器拓扑进行仿真分析,验证其运行原理的正确性及控制算法的有效性。

模块化组合式直流变压器的单极接地故障特性和恢复策略研究

直流变压器是解决直流输电系统互联时电压等级不一致问题的主要方法,然而直流变压器的故障特性和恢复策略尚不清楚。文中研究了模块化组合式直流变压器(modular combined DC transformer,MCT)在直流单极接地故障下的暂态特性,并分析了不同故障下交流侧隔直电容的放电过程,提出了相应的故障恢复策略。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了含有MCT的柔性直流输电系统仿真模型,时域仿真结果验证了故障特性分析和故障恢复策略的正确性和有效性。

基于开关电容二端口子模块的自耦式模块化直流变压器

基于电力电子器件的直流变压器能量变换环节多,存在体积大、成本高、效率低、控制复杂等问题。基于开关电容概念,设计新型二端口子模块,利用自耦变思想进行模块化组合,提出一种新型自耦式模块化直流变压器拓扑。分析了新型自耦式模块化直流变压器的工作原理,给出其电感纹波和电容纹波的理论计算公式。对所述拓扑的电容和电感参数进行了设计,并提出调制、电容均压以及输出电压/功率的控制策略。通过仿真与实验验证了新型直流变压器拓扑、理论分析以及控制策略的正确性。

基于拓展移相控制的直流配电网模块化多电平直流变压器

分析了模块化多电平换流器(MMC)桥臂与H 桥组成的MMC-H 桥型直流变压器拓扑与运行特性,其中MMC 采用阶梯波调制,H 桥采用增加一个内移相的拓展移相调制。推导出直流变压器中间交流链电压电流表达式,给出传输功率表达式与回流功率求解方法并分析功率随参数变化的分布情况,总结了影响回流功率的因素,讨论了电压调节比的优化配置,凝练零回流功率的边界条件与回流功率优化工作区间。为抑制回流功率,该文提出了回流功率优化策略,通过调整内外移相实现直流变压器工作在回流功率优化工作区域,减小回流功率与电流应力。最后,搭建实验平台,对优化策略进行了实验验证。

一种模块化组合式直流变压器及其主回路参数选择方法

当前,直流变压器是解决直流输电系统互联时电压等级不一致问题的主要方法,但传统的直流变压器中含有交流变压器因而价格昂贵。对此文中提出了一种无需交流变压器的模块化组合式直流变压器(modular combined DC transformer,MCT)。文中首先分析了MCT的拓扑结构和工作原理,然后根据MCT的性能要求提出了参数的选择原则,最后在PSCAD研究了含有MCT的直流输电系统仿真模型。时域仿真结果验证了文中所提出的MCT的可行性。

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。