基于模块化三电平方式的中压直流配电网DC/DC换流器设计

中压直流配电网与直流负荷、直流微电网的互联是实现直流配电网的关键,这将迫切需要一种适应于中压和低压大跨度变比的直流变压器(即DC/DC换流器)。三相双主动全桥(dual-active bridge,DAB)换流器具备可隔离、可实现双向功率流动、滤波器体积小等优点,该文基于三相DAB换流器拓扑,结合中压直流配电网DC/DC换流器高压侧电压应力大、低压侧电流应力大等特性,设计了一种基于三电平方式的DC/DC换流器模块,进而采用输入串联、输出并联的模块化级联方式设计了中压直流配网DC/DC换流器。最后,提出了换流器模块高、低压侧协调控制方式以及模块化DC/DC换流器的输入电压均分、输出电流均分控制方式,并在MATLAB/Simulink里验证了其可行性。     

基于新型四电平子模块拓扑的多电平整流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)基于其模块化的结构,能够在较低的开关频率下输出更高电压电平数来逼近正弦波形,使得其在高压大功率直流输电系统应用背景下比传统电压源换流器更可行。传统MMC子模块可以输出0、1两种电平,而本文提出了一种能够输出0、1、2、3四种电平的新型子模块拓扑结构,在换流器需要达到相同输出电平数的条件下,基于新型子模块的MMC级联子模块数量仅仅为基于半桥子模块MMC的2/3,能够可观的减小换流站体积。同时,IGBT开关数量相比半桥子模块MMC系统减少了1/6。在Matlab/Simulink中将最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略及改进的电容电压均衡策略应用于新型子模块拓扑,仿真结果验证了其有效性。     

新型双降压式模块化多电平直流变压器

为保证直流配电网稳定运行,直流变压器起到了至关重要的作用。针对半桥和全桥型模块化多电平直流变压器存在的直通和死区问题,本文提出了一种新型双降压式模块化多电平直流变压器,详细阐述了其拓扑结构和工作原理。基于类方波调制方法,分析了在不同外移相角和桥臂子模块内移相角的情况下该拓扑的变压器漏感电流变化以及功率传输特性。并提出了结合子模块电容电压变化量与当前电容电压值的排序算法,实现了桥臂内的电容电压平衡。基于PSIM平台对比了传统桥式模块化多电平直流变压器（HB-MMDCT）与本文所提出的双降压式模块化多电平直流变压器(DB-MMDCT)在类方波调制方法下的运行特性,验证了本文所提拓扑和控制方法的可行性和有效性。     

采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

模块化多电半换流器（modularmultilevelconveer,MMC）是应用于电压源换流器直流输电（voltagesourceconverter-highvoltageDC,VSC．rrvoc）的新型多电平换流器拓扑。该文介绍了MMC的拓扑结构及相应的工作原理。针对该新型换流器拓扑的特点及其在高压直流输电领域中的应用,提出一种新颖的适用于模块化多电平换流器的载波移相调制策略（carrierphase．shiftedSPWM,CPS．SPWM）。与其他调制策略相比,该策略动态调节能力强,且使MMC在较低开关频率的同时,亦具有良好的谐波特性。换流器中子模块的电容电压平衡问题,是MMC亟待解决的难点之一。该文根据子模块能量均分和电压均衡两种原则,结合换流器拓扑结构特点和调制策略,提出一种子模块电容电压平衡控制策略,有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围。仿真结果验证了所提策略的正确性与有效性。     

交直流混合配电网交流接地故障隔离策略

在交直流混合配电网中,为使模块化多电平换流器像换流变压器一样能隔离交流接地故障,本文分析了单相接地故障下零序电流和零序电压的特性,提出基于比例谐振控制的零序电流抑制策略.本文在模块化多电平换流器中采用混合子模块拓扑及相应的调制策略,并为全桥子模块设计一种新型的电容充放电策略,在保证子模块电容电压均衡稳定的条件下提高桥臂输出电压幅值上限,解决零序电流抑制时过调制的问题.最后,在Matlab/Simulink中进行交直流混合配电网仿真,结果表明所提策略可以阻止交流接地故障传播至非故障配电网.     

模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究

模块化多电平型(modular multilevel)高压DC/DC变换器采用模块化结构,能够很容易通过子模块串联的方法得到较高的电压和功率等级,适用于高压大功率直流变压场合。该DC/DC变换器采用由两个模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)组成"面对面相连"的结构,其本身具有直流侧故障保护的功能,无需采用直流断路器进行保护,变压器的存在可实现了电气隔离。目前针对此拓扑结构的研究尚处于起步阶段,其基本运行方式仍是研究的重点和难点。本文具体描述了模块化多电平型高压DC/DC变换器的拓扑结构,并且分析了其本身具有直流侧故障保护功能的作用机理。在此基础上,从调制策略、电容电压平衡策略及功率控制策略三方面对控制器进行设计。最后,通过建立仿真模型和搭建单相结构的实验平台,验证了所提基本运行方式的有效性。     

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块（半桥、全桥结构子模块）的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25％的IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在PSCAD仿真环境中搭建基于NLM的11电平两端MMC—HVDC输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。     

用于全直流海上风电系统的单相混合型MMC直流变压器及其控制策略

全直流海上风电场是未来发展大规模远距离海上风电的重要手段之一，然而高变比大容量的直流变压器作为全直流海上风电场中的关键设备，其拓扑结构和控制方式仍有待深入研究。为此，提出了一种单相混合型模块化多电平换流器型直流变压器(single-phase hybrid modular multilevel converter DC transformer,SHMMC-DCT)，可以通过最近电平逼近控制实现超高变比的直流升压，并且令子模块电容电压在较低的开关频率下保持均衡。故障处理方面，提出混合子模块与耗能电阻结合的方式清除故障电流，可以代替价格高昂的直流断路器。最后，基于PSCAD/EMTDC搭建了采用SHMMC-DCT的全直流海上风电系统的仿真模型。结果表明，SHMMC-DCT不仅能够可靠高效地送出风电场直流功率，而且可以在高压直流侧短路时快速阻断电流，验证了SHMMC-DCT拓扑及其控制策略的可行性。     

子模块混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略

半桥和全桥子模块混合型模块化多电平换流器在具备直流故障穿越能力的同时降低了开关器件的数量。介绍其拓扑结构以及子模块数量的确定方法。阐述半桥和全桥子模块阀段自身平机理和调制电压基本分配原则,并结合最近电平逼近调制提出一种半桥和全桥阀段间平衡的控制策略。分析直流故障期间换流器的等效电路,为了减少暂态期间直流故障电流对子模块电容电压平衡的影响,提出一种基于虚拟电阻的优化控制策略。整个故障穿越期间无需闭锁换流器,且还能持续保证交流系统对无功功率的需求。基于PSCAD/EMTDC,搭建两端子模块混合型模块化多电平换流器HVDC仿真模型,针对双极直流短路工况进行仿真分析,验证了所提出的控制策略的有效性。     

一种混合型模块化多电平换流器的改进载波移相调制方法

混合型模块化多电平换流器(MMC)桥臂中既包含半桥子模块,又包含全桥子模块,原有载波移相调制方法并不适用。文中在分析子模块混合型MMC拓扑结构工作原理及其调制方法的基础上,提出了一种适用于混合型MMC且带电容电压均衡策略的改进载波移相调制方法。在PSCAD/EMTDC中搭建了详细仿真模型,仿真结果证明了该调制策略的有效性。     

非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制

用于中高压直流电压转换和直流电网互联的高压大功率直流变压器一般采用中间交流变压器,存在损耗高和体积大等不足。对一种非隔离型的模块化多电平DC/DC变换器进行了研究,与普通双有源桥式DC/DC变换器相比,避免了交流变压器的存在。首先分析了此变换器的工作原理,建立了变换器的等效数学模型。考虑子模块电容电压存在特殊的不平衡,变换器需要引入交流循环电流,提出了一种保证桥臂功率均衡的最小化桥臂环流的控制策略,减小了桥臂电流的交流分量,降低了变换器的损耗。在Matlab/Simulink中仿真验证了变换器的性能和最小环流控制策略的有效性。最后搭建实验平台进行了实验验证。     

一种中压直流短路故障下不间断运行的MMC-SST拓扑及控制

多端口固态变压器是多电压形态多电压等级的交直流混合电网的核心设备,模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)型固态变压器(solid state transformer,SST)具有中压直流端口,可接入中压直流配电网,构成多区域交流配电网的柔性互联,提升区域网络间功率灵活调节能力。而采用传统的MMC-SST拓扑及控制,中压直流线路短路故障会引起低压端口供电中断。文中提出一种混合型MMC-SST的拓扑及控制,其具备中压交流、中压直流和低压交直流端口,通过控制使其具有中压直流短路故障耐受能力,同时故障期间保持中压交流和低压端口的不间断功率交互,从而提升低压用户供电可靠性。分析MMC-SST在正常运行和中压直流故障不间断运行控制下内部能量平衡机理,提出中压直流短路故障下电容电压平衡及不间断运行控制策略,实现MMC-SST中压直流短路故障时不间断稳定运行。通过理论分析,仿真与物理动模实验,验证了所提拓扑及控制的可行性及有效性。     

谐振变换器开关死区引起的直流变压器的功率损失

随着直流微电网和直流配电网的兴起,作为直流电压隔离变换的直流变压器备受关注。具有恒变压比的直流变压器通常采用高频谐振变换器和50%占空比控制,具有高效简洁的特点。本文分析了考虑开关死区情况下直流变压器的典型工作模态,推导建立了传输功率与开关死区时间的数学表达式,得到了死区将会降低直流变压器的传输功率的结论。建立了一种CLLC型谐振变换器拓扑的直流变压器的仿真模型和实验平台,结果验证了上述结论的正确性。     

海上风电直流汇集DC-DC变换器拓扑与控制策略分析

海上风能资源丰富,大规模远距离的海上风电是未来风力发电的趋势。作为风电直流汇集传输的核心设备,适用于高压大功率的DC/DC变换器研究尤为重要。已有的DC/DC变换器大多工作于中低压小功率环境,为此文章介绍了海上风电DC/DC变换器的技术需求,详述了适用于海上风电直流汇集的模块组合式DC/DC变换器拓扑结构、子拓扑结构、控制策略,总结分析了模块组合式DC/DC变换器需进一步研究的内容,为其应用于海上风电直流汇集提供了参考。     

基于模块化多电平换流器的多端口谐振型电力电子变压器

适用于直流配电网的电力电子变压器(PET)需要中压直流端口,而现有基于模块化多电平换流器(MMC)结构的PET拓扑可同时提供中压交流、中压直流、低压直流和低压交流端口,但这类PET需要四级电能变换,使得电路结构复杂,体积和重量较大。文中提出了一种适用于直流配电网的多端口MMC谐振型PET拓扑。该拓扑采用混频调制策略,同时在MMC桥臂支路中并联一组LC谐振支路、中频变压器和全桥电路实现中压直流和低压直流端口的功率解耦输出。该PET拓扑仅使用三级电能变换即可提供所需的多端口特性,具有电路结构简单、体积重量较小等优势。针对该PET拓扑,提供了等效电路分析、控制策略和参数设计方法。最后,通过仿真和实验结果验证了该PET拓扑的可行性。     

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。     

一种新型结构的电力电子变压器

电力电子变压器是一种新型智能电力变压器,在配电网中应用前景广阔。本文提出了一种新的模块化电力电子变压器拓扑结构,将双向隔离DC/DC变换器与模块化多电平变换器子模块连接在一起,直接得到低压直流输出,并利用四桥臂变换器产生低压交流输出,这种结构方式更利于模块化设计,减小装置体积。文中给出了模块化多电平变换器,双向隔离DC/DC变换器以及四桥臂变换器的控制方法,最后通过仿真和实验验证了该拓扑的性能。     

一种并联输入并联输出的宽范围双向隔离DC/DC变换器

目前,DC/DC变换器广泛应用于新能源发电、电动汽车以及锂电池化成分容等领域。针对低压大电流双向功率传输应用场合,提出了一种输入并联输出并联的宽范围双向隔离DC/DC变换器。该变换器由2个相同的两级式DC/DC变换器组成,前级采用高效率LLC谐振变换器作为直流变压器,以实现电气隔离;后级采用交错式Buck/Boost变换器,保证宽范围电压输出和高动态性能。所提变换器能够实现功率的双向传输,且采用了一种功率方向改变时,无需进行功率流向判断与开关逻辑切换的调制策略,简化了系统的控制策略并提高可靠性。设计了1台3 kW的实验装置,实验结果验证了所提变换器及其控制方法的可行性和有效性。     

基于MMC的配电网电力电子变压器故障特性分析

介绍了配电网电力电子变压器输入级、隔离级和输出级通常采用的拓扑结构;选取了半桥子模块型模块化多电平换流器、双有源桥和三相逆变器作为研究对象,基于PSCAD仿真平台,搭建了10k V配电网电力电子变压器仿真模型;对电力电子变压器中可能出现的故障类型,包括交流输入侧故障、中压直流侧故障、低压直流侧故障以及功率开关元件故障等进行了理论分析与仿真验证;对各类故障下电力电子变压器的过电压、过电流水平进行了分类统计,指出了对配电网电力电子变压器影响较大的故障类型。