DC/DC与DC/AC级联变流器阻抗协调控制策略

在back-to-back级联变流器系统中,前级子变流器的输出阻抗与后级子变流器的输入阻抗相互影响,如果系统参数设计不合理,将会恶化系统稳定性。该文提出了一种阻抗协调控制策略,将级联系统的前级子变流器和后级子变流器的低频阻抗均呈现为阻性阻抗,使得低频相移为0,从而提高back-to-back级联变流器系统的稳定性。基于双H桥DC/DC变流器和三相两电平逆变器级联拓扑结构,对所提控制策略与传统控制策略进行了比较。基于阻抗特性的稳定性判据显示,在低频范围内,所提控制策略可以促进前级功率源变流器和后级负载变流器面向中间直流母线侧呈现阻性阻抗,从而显著降低阻抗匹配作用产生的相移,有助于提高系统的稳定性。最后通过仿真和实验验证了所提出控制策略的有效性。     

适用于海上风电场的新型高压直流变换器与直流故障隔离

传统的海上风电场通常使用占地面积大且价格昂贵的变压器,以及高压交直流变换器具有双向功率流通功能,增加了海上风电升压平台的体积和重量,经济性较差。因此,直流电网技术将成为深远海大型海上风电系统并网有效解决的方案。该文提出一种适用于海上风电系统直流汇集和传输的非隔离型、高升压比直流变换器新型拓扑结构,可以低成本连接高电压差直流电网,设计多工况下单向功率流控制方案。所提直流变换器的主要挑战是平衡每个桥臂上子模块电容电压,为此,提出相关的闭环控制策略。基于Matlab/Simulink软件对所提拓扑进行稳态和短路故障仿真分析,最后,搭建实验平台,验证所提理论分析的合理性。     

应用超级电容提高风电系统低电压穿越能力

针对使用背靠背全功率变流器的永磁直驱风电系统,提出应用由超级电容和双向DC/DC变换器组成的储能系统提高风电机组的低电压穿越能力.研究永磁直驱风电系统的结构和控制策略,以及基于超级电容的储能系统平衡系统功率的特点,建立永磁直驱风电系统和基于超级电容的储能系统的模型,并给出控制策略和主要仿真参数.仿真结果显示,储能系统在电网电压发生跌落时,迅速平衡了直流母线两侧的功率变化,使直流母线电压保持稳定,并将风电机组与电网故障相隔离,保证风电机组继续向电网传输能量,从而提高风电系统的低电压穿越能力.     

大容量直驱风电机组级联直流组网系统设计

传统交流组网风电场系统存在多次电能转换、成本高的问题。针对这个问题,设计了一种大容量直驱风电机组级联直流组网海上风电场系统,其直接将每台机组的直流输出级联形成高压直流进行传输,而无需额外的海上升压站平台。风电机组采用了永磁直驱风力发电机及其变流器,其中变流器包括了AC/DC单元和DC/DC单元,并设计了控制策略,即通过DC/DC单元的占空比调节来实现电流的持续输出和最大功率跟踪。陆基逆变电站采用晶闸管型逆变器,设计了工作模式和控制策略,其主要功能是实现高压直流链路的电压电流调节。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建了容量为150 MW的风电场系统进行了仿真计算,计算结果验证了该系统具有较高的鲁棒性和对风速变化的适应性,同时每个机组都能独立的实现最大风能捕获。     

三相AC/DC型电力电子变压器高频直流环节回流功率优化控制研究

级联H桥AC/DC型电力电子变压器中的高频直流环节通常采用双有源桥电路DAB(dual-active bridge),并通过移相控制方式进行能量传递。单移相控制会在DAB中引入回流功率,增加系统损耗。在由理想直流电压源供电的DAB中,通过改进的移相控制可以显著抑制回流功率。然而在电力电子变压器PET(power electronic transformer)中,交流电网侧的PWM整流环节会引入二次脉动功率,导致其高频直流环节的输入/输出电压变比存在低频脉动,使得现有的回流功率抑制方法难以获得期望效果。针对这一问题,分析了在PET模块电容电压存在低频脉动的情况下,采用单移相和扩展移相两种控制方式下的回流功率分布特征;同时,结合功率通道型三相AC/DC电力电子变压器,提出了功率解耦和扩展移相协同控制的回流功率抑制方法;通过功率解耦控制,抑制模块电容电压中的低频脉动,维持高频直流环节输入/输出电压变比恒定,并结合扩展移相控制,抑制PET中的回流功率。仿真和实验结果验证了所提方案可以有效抑制三相AC/DC型PET中高频直流环节内的低频脉动功率及回流功率。     

基于新型直流风电机组的串联型全直流发电系统设计研究

通过直流风电机组(DC wind turbine, DCWT)建设直流风电场实现风能的直流汇集与直流传输是海上风电系统的主要发展方向之一。为了使DCWT具备高压绝缘隔离、能量双向流动以及直流短路故障自清除能力,提出了一种适用于串联型全直流发电系统的新型DCWT拓扑。该DCWT拓扑采用了H桥结构的DC/DC变换器代替传统的隔离型DC/DC变换器,将DCWT直接串联并加以调制实现低压直流到高压直流的变换。基于PSCAD/EMTDC搭建了基于新型DCWT的串联型全直流发电系统仿真模型。经风电系统的DCWT在输出功率均衡、输出功率不均衡、高压直流母线电压波动等稳态运行工况以及故障DCWT动态切入切出等故障运行工况下的仿真,验证了该DCWT的输出特性、系统的运行特性以及系统对故障DCWT的处理能力,提高了直流风电场的运行可靠性与灵活性,为直流风电场的建设提供了一种切实可行的解决方案。     

不平衡负载工况下三相变流器有源功率解耦控制

三相电压源型变流器(VSC)对于微电网的稳定运行有着重要的作用。然而,孤岛工况下带三相不平衡负载运行时,交流侧产生的二次脉动功率耦合至直流侧,导致系统的工作性能降低并影响系统的寿命。针对该问题,在二次功率脉动分析的基础上,提出了一种基于虚拟三相瞬时功率的解耦控制策略,通过控制虚拟三相瞬时功率脉动分量为0,在不增加开关器件的情况下,利用LCL滤波器中电容提供负载所需二次脉动功率,实现交直流侧二次脉动功率解耦。在此基础上进一步分析了该拓扑结构直流侧所需的最低电压以及电流应力影响因素。最后仿真和实验结果均表明所提控制策略可以较好地实现功率解耦控制,直流侧源电流二次脉动分量大大减小,有利于提高系统控制性能和实现直流侧电容轻量化。     

基于超级电容蓄能的永磁同步海上风电低电压穿越研究

为避免电网电压跌落导致海上风电机组脱网运行,分析了直驱永磁同步海上风电系统的双PWM全功率变流器控制策略,提出了一种基于超级电容器蓄能的海上风电机组并网运行低电压穿越方案。在双向变流器的直流侧并联超级电容蓄能系统,利用超级电容来维持电网故障时的功率平衡,稳定直流侧母线电压。利用网侧变流器静止无功补偿运行模式控制无功电流输出,向电网提供无功功率支持。仿真结果表明了该方案在电网故障时,能有效抑制直流侧过电压,向电网提供无功功率,有利于电网故障恢复,提高了直驱永磁海上风电系统的低电压穿越能力。     

级联H桥储能变换器直流纹波电流的无源与有源抑制策略

级联H桥储能变换器直流纹波电流会给储能系统带来效率降低、寿命减少、并网谐波增大等不利影响。分析了电容滤波、LC滤波、LC串联谐振3种无源滤波电路抑制直流链纹波电流的方法,以及它们减小直流链纹波电流的可行性。提出了基于耦合变压器直流有源滤波电路的级联H桥储能变换器拓扑,利用直流有源滤波电路吸收直流链纹波电流,减少流入级联H桥储能变换器直流端口的纹波电流。最后,通过仿真验证了有源滤波方法减小直流链纹波电流的有效性。     

组合级联式兆瓦级功率调节装置协调控制策略

提出了一种新型组合级联式兆瓦级功率转换系统(PCS)的拓扑结构,它由电池组、隔离型半桥DC/DC变换器和级联式H桥DC/AC变换器组合而成。首先对所选用的隔离型半桥DC/DC变换器的基本原理、电压增益和功率传输特性进行了分析。在此基础上,重点研究了2种变换器的协调控制策略:为实现装置的双向功率交换,DC/DC侧采用移相控制,DC/AC侧采用双环控制;为确保直流侧电容电压恒定,DC/DC侧采用占空比控制,DC/AC侧采用全局直流电压控制;为提高装置响应速度和改善直流侧电容电压品质,将电网侧的实时功率指令前馈给DC/DC侧;为改善装置的启动特性,提出了一种软启动控制策略。在PSCAD/EMTDC环境下建立了基于锂电池储能的PCS模型,应用所提出的一整套协调控制策略,对装置的启动过程、正常调节工况、电池组容量和荷电状态不同等工况进行了仿真。结果表明该装置在所提出控制策略下具有较宽的电压匹配能力,电池状态适应能力强,且控制的响应速度较快,能实现大容量储能和双向大功率调节。     

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。     

全直流海上风电场高升压比DC/DC变换技术综述

采用直流汇聚、直流传输的全直流海上风电场,可以避免使用笨重的工频交流变压器,在功率密度、建设成本、系统损耗等方面具有较大的优势,因此基于直流汇聚、直流传输的全直流海上风电是目前海上电能传输的研究热点。在全直流海上风电系统中,风机端口电压需进行高变比升压后才能远距离传输,所以高升压比DC/DC变换器是整个风能变换传输系统中的重要环节。首先从变比、容量、故障隔离等角度对适用于全直流海上风电的直流变换器进行需求分析。其次对各种直流变换器的拓扑实现进行总结分类,并指出各种拓扑的优缺点以及应用前景。最后对各种拓扑结构及控制方法进行比较,对未来适用于全直流海上风电场的高升压比直流变换器进行展望。     

基于模糊PI控制的海上风电柔性直流输电整流器研究

为提高海上风电柔性直流输电电压等级,抑制直流侧电压跌落和闪变,将三相电压源变流器用于送端整流器。采用多个功率单元级联的拓扑结构,电流内环采用PI解耦控制、电压外环模糊PI调节双闭环控制方式。分析了变流器数学模型,建立了MATLAB/Simulink仿真模型,实现了电压级联输出,在线PI参数整定。仿真结果验证了该系统在海上风电柔性直流输电应用中的有效性。     

负载不平衡电力电子变压器直流电压平衡控制策略

电力电子变压器网侧级联H桥整流器需采用中大功率高压直流电容器来维持直流电压稳定,因此如何稳定直流侧电容电压以及降低电容容值尤为重要。文中首先建立级联H桥整流器平均数学模型,依据瞬时功率平衡推导出直流侧电容谐波数学模型并进一步分析对电路产生影响。提出一种基于陷波器滤波算法用于动态检测并抑制直流电容电压倍频干扰,在不增加直流电容器情况下实现降低直流电容和抑制直流电压振荡,同时采用载波移相调制算法引入脉冲补偿机制实现电压平衡控制。最后通过MATLAB/Simulink仿真平台验证,结果表明,所提控制策略有效地抑制谐波稳定直流电容电压输出平衡。     

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modular multilevel DC/DC converter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。     

风机中参数变化对变流器直流侧电容可靠性的影响分析

以风电机组功率变流器可靠性评估为背景,给出了一种直流侧电容的可靠性评估方法。基于电容的损耗计算方法,结合热网络结构,构建了直流侧电容的可靠性分析流程。综合考虑电容的可靠性影响因素,分析了环境温度、风速、电容等效串联电阻及热阻的变化对直流侧电容可靠性的影响。以某风电场2 MW双馈风电机组结合实际风速、气温数据为例进行验证,实例结果验证了理论分析的正确性。讨论了当风电变流器实际工作时,利用优化变流器直流侧设计或电容的散热环境等措施提高直流侧电容的可靠性,结果表明了所提方案的可行性。     

H桥链式STATCOM直流电容电压稳定与均衡控制

H桥链式静止同步补偿器(STATCOM)是目前高电压大容量无功补偿装置的首选.由于其直流侧各链节的电容存在充放电过程和无公共母线而相互独立,不可避免地会出现直流侧电容电压脉动与失衡问题,而保持直流侧电容电压稳定与均衡是实现STATCOM装置高效动态补偿的关键.为此,此处详细分析了 H桥链式STATCOM直流侧电容电压脉动与失衡的机理,提出了一种适用于其直流侧电容电压稳定与均衡的综合控制方法,采用零序电压注入法调节相内有功功率均衡来实现各相变流器直流侧电容电压间的均衡,通过控制相内子模块的有功分配实现各相内的H桥功率单元模块直流侧电容电压间均衡.最后,在实验装置中对该方法的可行性及有效性进行了验证.理论分析和实验结果显示,所提控制方法具有稳定性高、动态性能好的优点.     

海上风电场组网与大容量变流器实现形式对比研究

随着陆基风电向海上平台转移,风电机组功率增大,海上风电场容量扩充,传输距离增加,使得原陆基风场成熟技术难以直接利用。针对这个问题,系统地总结了海上风电场的典型组网形式,就并联阵列模式下的3种风机类型进行了回顾,并介绍了2种提高功率密度的机型方案。而大容量变流器技术是海上风电的关键技术之一,就结构形式可以分为集成式结构和模块化结构,本文从可靠性、容错能力和成本等几个方面,对集成式风电变流器的4种拓扑结构开展了对比研究,同时对模块化变流器不同的级联或并联方案,也进行了相关对比研究,最后对比分析了几种适用于大容量风电变流器的功率器件。研究结果为海上大容量风电变流器的设计提供支持。     

基于二极管整流器实现风电机组直流输出的方法

未来海上风电场有望采用大型直流风电机组进行组网以降低电缆成本和损耗。为此,提出一种以二极管整流器作为中压并网端口,且具备储能端口与取电端口的多端口风电变流器拓扑,用其实现海上大型风电机组的直流化,其中,储能与取电端口用于实现机组自启动。直流并网端口无LC滤波装置,当发生直流短路故障时,由于无须采用电容器,则避免了对短路点的放电电流冲击。针对该系统方案,结合变流器数学模型,给出了包括启动、发电和故障穿越的机组级控制策略。详细推导分析了变换器关键元件的边界运行条件,并提出其主电路参数优化设计方法。在PSCAD中构建8.0MW直流风电机组仿真模型,仿真结果表明:变流器的全工况运行参数基本满足边界运行条件,启动并网过程平稳且无明显冲击,变流器能在100 ms左右清除直流短路故障电流,保护功率元件,并实现故障穿越。最后,利用基于RT-LAB实时仿真器和F28335控制器的半实物仿真平台,进一步验证了变流器启动与运行控制策略的有效性。     

应用于混合储能的组合级联式多端口变流器拓扑结构研究

针对光伏等可再生能源发电的间歇性和功率波动问题,提出一种新型的用于混合储能的组合级联式隔离型多端口变流器拓扑结构及其控制策略。该装置由蓄电池组、超级电容器组、多端口隔离半桥DC/DC变换器和级联式H桥DC/AC变换器组合而成。首先对该拓扑的工作原理进行了分析;然后结合相应的控制策略,通过滑动平均滤波算法将外界给定目标功率指令在各储能单元之间进行合理分配,并在PLECS上搭建了基于该装置的光伏电站并网模型进行仿真;最后,结合仿真结果和实际工程案例对该装置可带来的经济效益进行了定量分析。结果表明,所提出的混合储能拓扑结构可有效结合超级电容器功率密度高、响应速度快,和蓄电池能量密度高、适用于平抑长周期缓慢功率波动的特点,提高了间歇式电源并网运行的电能质量和可调度性,同时避免了蓄电池频繁充放电,显著延长了电池使用寿命。该装置可用于基于蓄电池-超级电容器混合储能(BSHES)的大功率储能电站,实现平滑可再生能源发电输出功率波动和微电网中的调频调压功能,模块集成度高,可实现模块化生产,具有广阔的应用前景。