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。

基于多阶反馈重构的微电网端口变换器自抗扰策略

直流微电网低压负载侧电能稳定供应是新型电力系统中新能源有效消纳的重要保障。针对微电网供能枢纽变换器受扰情况下输出不稳定的问题,提出了一种观测器状态变量重构补偿的改进型自抗扰策略。首先,通过剖析自抗扰框架下无法避免的结构问题,推导出观测误差精准范式,并对扰动观测变量进行重构补偿,实现对总扰动的快速跟踪和消除。然后,进一步对改进策略在稳定性能、跟踪性能、抗扰性能、鲁棒性能4个维度进行理论分析,验证了该策略的正确性与有效性。最后,利用数字仿真和物理实验模拟实际工况进行对比分析,验证了该策略在微电网系统多种内外不确定扰动下均具有较好的动态性能。

具备故障限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器拓扑与控制策略

为解决直流电网中直流故障快速清除的技术难题,提出了一种同时具备限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器,并设计了启动、限流后开断线路和限流后复位3种控制策略。所提拓扑结构通过限流电路实现断路时刻电流值的大幅下降,通过电感旁路电路实现故障清除所需时间的缩短;所提控制策略通过复用拓扑部分回路实现直流电网对断路器电容的预充电,通过初步故障判断与二次确认方式来优化断路器的动作时序,实现断路时刻电流值的进一步下降。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端直流电网仿真模型,对断路器的各种工况进行了仿真验证。结果表明该多端口直流断路器在各工况下均可实现多条直流线路的保护、减小断路时刻电流值和减小故障切除所需时间。

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。

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。

多端口变换器及其解耦策略关键技术综述

直流微电网结合电源、储能、负载等多种形式的端口,可实现多种情况下的孤岛和并网运行模式,因而被广泛运用于连接交流电网。将多组变换器并联于直流母线上,会导致系统冗余、控制复杂、效率低下。为了实现多个不同形式端口的整合,多端口直流变换器应运而生。从多端口变换器拓扑出发,综述现有各类多端口变换器的派生,简单介绍其结构,并对其功能、优缺点进行分析。其中,全隔离型多端口变换器由于各端口之间相互独立且共用一根磁力母线,具有较高的可靠性,还可实现宽范围电压输入及软开关,得到国内外广泛关注。多端口变换器各端口之间输入输出功率流存在耦合,会导致变换器工作在较低的效率范围内。通过对现有的三种应用于多端口网络的解耦方法依次进行介绍,并结合相应的拓扑进行对比分析,谐振解耦通过构建谐振拓扑结构来达到物理解耦的方法,相对简单,在稳态及暂态下均具有较好的性能。

新型多频率三端口模块化多电平换流器拓扑及其控制策略

未来电网中将会存在的工频、直流与低频等多种频率,而传统换流器仅能实现交-交、交-直两种频率电气量间的能量交换。为此,提出一种新的多频率三端口模块化多电平换流器(multi-frequency triple-port modular multilevel converter,MFTP-MMC)拓扑,该拓扑结构简单对称,能够直接实现工频-低频-直流的功率变换和频率控制,不存在无功约束问题,可以输出2倍直流电压,具有直流故障自清除功能。针对MFTP-MMC拓扑建立其dq坐标下的动态数学模型,实现了系统2种交流频率分量同直流分量的解耦,在此基础上给出相应的控制策略,包括内环电流控制、环流控制、子模块均压控制以及外环功率控制,其物理概念清晰、控制性能良好。进一步,给出了桥臂无功分配系数的优化方法。同时针对其拓扑提出直流侧故障时闭锁以及故障后软起动策略。MATLAB/Simulink平台下的一系列仿真结果验证了所提MFTP-MMC拓扑和数学模型的正确性及其控制策略的有效性。

一种新型双端口三电平变换器

针对传统背靠背三电平变换器成本高、体积大、结构复杂等问题,文中提出一种新型双端口三电平变换器拓扑,通过器件复用方式减少开关器件数量,优化系统结构。首先,详细分析所提新型拓扑的工作原理,给出单相桥臂的6种有效开关状态、电流流通路径及对应双端口输出电平,并对各开关器件的电压应力进行分析。其次,研究并设计一种适用于该新型拓扑的载波层叠脉宽调制策略,加入直流偏移量以避免调制波重合产生的影响。然后,进一步分析该策略在同频与异频工作模式下的调制度范围、相角差约束等关键问题,给出各工作模式下直流偏移量选取原则及两端口调制度约束范围。最后,基于DSP-FPGA-Typhoon HIL 402实验平台对不同工作模式进行验证。实验结果表明,在实现所提新型拓扑双端口电压电流稳定输出的前提下,加入直流偏移量的载波层叠脉宽调制策略使得变换器输出的电能质量良好,谐波含量低。

基于ADACS_N平台的DCS二层系统服务器国产化替代与软件移植研究

针对核电厂DCS系统服务器硬件老化与停产共性问题,基于法国ADACS_N平台的DCS二层系统,研究一种服务器国产化替代与软件移植的可行方法,结合系统软硬件架构分析、国产化服务器硬件替代选型策略、源代码移植技术研究、最小化测试平台开发,为延长核电厂DCS系统生命周期、解决进口设备“卡脖子”问题、提升核电厂DCS关键设备自主能力提供一定参考。

柴油机螺旋进气道直流段的正交优化设计

通过构建YN33柴油机气道-气门-燃烧室计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)模型,以涡流比和进气量作为评价指标,对柴油机螺旋进气道直流段的直流段上偏角、直流段下偏角、直流段长度这3个关键结构参数进行正交优化设计。结果表明:直流段长度对缸内涡流比、进气量的影响最大;直流段上偏角、直流段下偏角及直流段长度3个参数,分别取值82°、85°和69 mm时,可使缸内涡流比和进气量相对原机分别提高26.02%与5.50%;在此条件下,放热率峰值和累积放热量与原机相比分别增加了4.92%和8.29%。

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。

基于电容换流的多端口直流限流断路器

直流断路器是实现柔性直流电网直流侧故障隔离的重要设备,但现有拓扑中限流与换流单元的配合较少,导致设备集成度低、造价高、推广应用受限。为此,提出一种以电容作为限流及换流器件的多端口断路器拓扑,通过限流电容与换流电容的配合使断路器完成限流并加速换流过程;基于其在典型直流侧故障后的动态过程,提取了断路器所承受的电压电流应力、避雷器耗能特性,为断路器参数设计提供依据。基于PSCAD/EMTDC对设计的断路器进行电磁暂态仿真,通过断路器开断、重合闸等事件分析,表明了所设计拓扑结构的可行性,以及其内部配合的合理性。

海上风电直流汇集DC/DC系统实时仿真方法

随着深远海风电的开发与快速发展,采用柔性直流输电技术逐渐成为海上风电系统的首选方案。然而,海上风电及其输电系统的安全运行仍面临严峻的挑战。实时仿真技术能低成本、快速模拟各种复杂运行工况,得到越来越多的关注。直流汇集DC/DC系统是海上风电系统中的关键设备,其复杂的级联结构、数量众多的元件和更高的开关频率都给实时仿真带来了巨大的挑战。为此,提出一种海上风电直流汇集DC/DC系统实时仿真方法,通过仿真算法的并行设计和等效模型的构建两个步骤,实现大规模海上风电直流汇集DC/DC系统的小步长实时仿真。首先,将EMTP算法重新设计为适用于实时仿真的并行算法,并基于此构建直流汇集DC/DC系统子模块的等效模型。其次,根据子模块之间的串联耦合关系,构建直流汇集DC/DC系统的多端口等效模型。最后,在CPU-FPGA异构实时仿真平台中进行海上风电直流汇集DC/DC系统在多种工况下的实时仿真,并与PSCAD/EMTDC离线仿真结果进行对比,验证了所提实时仿真方法的准确性和高效性。

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。

基于故障前行波极值时间的柔性直流线路单端量保护方法

柔性直流输电是沙漠、戈壁地区大型风电光伏等远离电网新能源并网的重要手段,其线路保护是保障系统安全的关键。作为柔直输电线路主保护的行波保护在故障分析理论方面存在局限性,相应保护原理在端口、近端或近对端故障时可能误动或拒动。针对该问题,文章分析端口、近端或近对端故障时的行波特性,揭示过渡电阻、后续波头对故障行波波形的影响作用,在此基础上分析前行波的极值时间,并利用故障电压幅值判据与前行波极值时间判据的配合提出一种不同情况下均能可靠动作的行波波形保护方法。PSCAD/EMTDC的仿真表明,该保护方法能有效解决端口、近端或近对端故障下保护拒动的问题,且具有较强的耐受过渡电阻能力和抗噪声干扰能力。

一种双向部分隔离型四端口DC-DC变换器的研究

为减少家庭直流微电网中变换器的数量,提出了一种双向部分隔离型四端口直流变换器及其控制策略。变换器原边采用两个双向Buck-Boost电路与全桥变换器的桥壁开关管复用,构成两输入的双向交错Buck-Boost电路,副边采用半桥整流电路与同步Buck电路结合,形成高、低压两输出端口,并采用控制器变量竞争的方式实现变换器控制策略的切换。该四端口变换器(four-port converter,FPC)可以同时满足多电压等级的输入/输出,且功率能够双向流动,对比其他FPC,具有较高的功率密度和拓扑结构对称等优点。最后,在Simulink软件中搭建了仿真模型,并进行详细的试验分析。结果验证了理论分析的正确性以及控制策略的有效性。

磁集成三端口电力电子变压器的改进控制方法

针对现有多端口电力电子变压器磁性元件体积大、功率变换单元多、成本高的问题,提出基于磁集成的三端口拓扑及控制策略。将传统拓扑的6个桥臂电感和大量的高频变压器集成为3个集成变压器,从而减小磁性元件体积。在变压器副边绕组接1个三相桥即可构建低压直流端口,极大地减少功率变换单元数目。利用桥臂电压的直流、工频和高频分量分别控制中压直流、中压交流和低压直流端口功率,实现多端口功率调控。为提高中压直流端口电能质量,将桥臂电压的高频分量设计为三相对称的六阶梯波,使其激发的电流分量在三相回路中相互抵消,从而实现中压直流端口高频电流纹波消除。最后,建立了4 MW仿真模型进行验证,结果证明了所提拓扑和控制策略的有效性。

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。

基于麻雀搜索算法的三端口变换器功率协调控制

为研究微电网中的三端口变换器功率协调控制,提出了一种基于麻雀搜索算法的三端口变换器功率协调控制策略。首先,对一种新型的隔离型三端口变换器进行拓扑分析,并推导三端口变换器的等效电路模型和功率传输公式;然后,建立了三端口变换器的小信号模型,设计了基于麻雀搜索算法的功率协调控制策略;随后,通过仿真软件初步验证了麻雀算法相较于传统PI控制的优势;最后,通过RT-LAB实验平台验证了所提策略的可行性。实验结果表明:三端口变换器在不同运行场景下能稳定、平滑且有效地切换工况,实现功率协调控制。

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。