MMC-HVDC输电网用高压DC/DC变换器隔离需求探讨

高压DC/DC变换器是构建直流电网的关键装备之一,其技术需求分析是其电气拓扑设计和系统应用研究的前提。文中着重围绕基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电网用高压DC/DC变换器电气隔离功能的选择和故障隔离要求等问题展开探讨。从DC/DC变换器故障特性、系统绝缘造价和可靠性角度分析了不同接地方式的直流系统中DC/DC变换器的电气隔离需求,分析结果表明:对称单极系统中DC/DC变换器宜具备电气隔离功能,而双极系统宜采用非电气隔离拓扑。此外,从DC/DC变换器外部故障和内部故障两个角度对DC/DC变换器的故障隔离需求进行了研究。最后,通过仿真验证了隔离需求分析的正确性。     

可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段,近些年获得了快速发展。DC/DC变换器作为直流电网中电压变换和隔离直流侧故障的关键设备也日益受到关注。提出了一种适用于直流电网的可隔离直流故障的新型DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,同时提出了其故障隔离策略。对比该拓扑与半桥式DC/DC变换器的技术性和经济性差异发现,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,提出的DC/DC变换器方案不仅可以更快地切除故障线路,还减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。在PSCAD/EMTDC中,针对两个直流电网的典型场景,进行了直流双极短路故障仿真。仿真结果表明,所提出的拓扑具备直流故障穿越能力,非常适用于大规模直流电网系统。     

基于隔离型DC/DC变换器的直流环网故障主动保护研究

在当前重要的中低压直流配电系统中,均采用两套独立的直流系统对设备进行供电,而直流环网故障则会导致两套系统发生一定的电气连接,严重危害了直流系统中的运行设备。针对直流环网故障,文章提出了一种基于隔离型DC/DC变换器的主动保护方案,即将变换器自身的结构优势应用在了直流系统的保护技术上,实现了对环网故障一系列的主动处理。该文首先阐述了环网故障的形成原因与危害,之后详细说明了主动保护的实现原理,分析了并联式变换器模块的控制策略,并且给出了环网故障的主动检测方案,最后通过仿真验证了该主动保护方案拥有良好的供电可靠性和故障隔离功能,最大程度保证了直流系统的安全运行。     

基于模块化隔离型DC/DC变换器的海上直流风电场并网方案

与传统的海上风电场采用中压交流系统汇集电能不同,海上直流风电场采用直流系统实现电能的汇集和远距离传输。为减小海上风电场的投资,提高其运行效率,设计了一种基于模块化隔离型DC/DC变换器(MIDC)的新型海上直流风电场并网方案。首先,对三种可能作为MIDC子模块的DC/DC变换器进行了参数设计和对比分析,最终确定了LLC串并联谐振变换器作为MIDC子模块的拓扑。在此基础上,设计了MIDC的控制系统,在实现MIDC子模块间均压和均流的同时,实现了对风力发电机组输出功率的最大功率跟踪。最后,通过仿真验证了所设计的海上直流风电场并网方案的可行性和所设计的MIDC控制系统的有效性。     

集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器

高压大容量DC/DC变换器是直流电网中电压变换的关键设备。提出一种集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器,利用变换器自身控制实现直流侧短路故障阻断功能,具有轻量化、低成本、高效率的优势。首先,分析该变换器的拓扑结构、工作原理,推导子模块、晶闸管、二极管等器件的参数设计依据;然后,提出闭锁子模块和晶闸管阻断故障电流的机制,设计适应于该变换器的控制方案;其次,分别针对正常工况与故障工况进行了仿真与实验验证,结果表明该变换器拓扑结构及控制策略的有效性;最后,通过与其他典型的集成直流断路器功能的DC/DC拓扑进行对比分析,评估所提变换器的技术经济性。     

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。     

DC、UPS和DC／DC的综合应用商榷

直流电源(DC)、交流不停电电源(UPS)和直流变换器(DC/DC)的统一规划,融为一体是操作电源的最好选择之一。微机监控、保护和远动通信装置在发电厂或变电所广泛采用,大大提高了运行可靠性和自动化水平,它对操作电源系统和设备的可靠性要求更高,本文将这些发电厂和变电所的操作电源类     

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。     

直流微网中双向高变比DC/DC变换器阻抗特性分析

随着直流微网、分布式发电、电动汽车等技术的发展,具有宽电压变比范围的双向DC/DC变换器成为研究的热点,而系统中各模块的双方向下的阻抗特性会直接影响直流微网系统的稳定性。对于带耦合电感的非隔离型双向DC/DC变换器,简述了其工作原理。考虑电感和电容的等效串联电阻,利用状态空间平均法分别建立了两个能量流动方向下的开环阻抗模型,根据闭环控制原理进一步建立了闭环阻抗模型。分析了输入电压、输出电流和寄生参数对阻抗模型的影响,为直流微网系统稳定性的研究提供依据。     

电力电子变压器用混合三电平双向DC/DC功率模块设计

高压隔离双向DC/DC变换器模块是电力电子变压器电压隔离和变换中的主要环节。为提升模块高压侧直流工作电压,减少模块级联数量,降低功率变换部分的占地尺寸和控制复杂度,采用混合三电平拓扑设计电力电子变压器功率模块。分析混合三电平双向DC/DC变换器的工作原理,对电路中的主要参数进行设计,并基于SiC功率器件完成了样机的设计,最后对样机进行了试验验证。试验结果表明,混合三电平双向DC/DC变换器工作特性与传统全桥双向DC/DC变换器一致,效率最高达到98.7%。三电平双向DC/DC变换器以较低成本和控制复杂度,提高了子模块高压侧直流工作电压,使电力电子变压器系统功率模块数量减半,有效降低了电力电子变压器的尺寸。     

基于换流站节点类型的直流断路器配置方法

直流电网是应对远距离大容量输电、新能源并网及消纳等问题的有效手段,然而其低阻尼特性、故障发展速度快的特点使得其隔离故障困难,研究提升直流电网故障清除能力具有重要意义。本文基于电网中直流断路器的配置要求,提出了一种基于换流站节点类型的直流断路器配置方法,其次介绍了不同故障情形时该配置方法中直流断路器的动作时序、重合闸策略,并介绍了输电线路保护判据及与换流站协调配合的措施。最后在PSCAD/EMTDC中搭建三端混合仿真模型,对本文所提配置方法与传统的配置方法下的故障进行仿真对比分析,仿真结果表明,所提配置方法能够快速隔离高压直流电网中的故障,减少停电范围,提高供电可靠性,可作为实际系统的一种可行方案。     

采用混合子模块的四端口模块化多电平DC/DC变换器

随着电网中可再生能源的大规模接入以及高压直流输电技术的发展,高压大容量DC/DC变换器成为不同电压等级直流电网互联的关键。为解决多端高压直流电网互联的问题,本文以四端直流电网互联为例,研究了四端口模块化多电平DC/DC变换器。针对常规半桥子模块不能实现直流侧短路故障阻断的问题,本文提出交叉连接双半桥子模块与三电平双半桥子模块混合的模块化多电平DC-DC变换器方案,该方案能有效阻断直流故障,且具有较好的经济性。进一步地,给出了采用混合子模块方案的简化模型,用于子模块数量众多时变换器在正常工况以及故障工况下的仿真。最后,通过Matlab/Simulink对所提出的混合子模块四端口模块化多电平DC/DC变换器进行了仿真验证,证实了所提方案的可行性以及简化模型的正确性。     

集成故障阻断能力的DC/DC自耦变换器

高压大容量DC/DC变换器是多电压等级直流互联的关键设备，能够实现电压变换和直流侧故障隔离等功能。使DC/DC变换器具备直流故障阻断能力，减少对直流断路器的依赖，能够在很大程度上降低建设成本。为此，提出一种基于半桥型模块化多电平换流器串联的DC/DC自耦变换器拓扑。在功率正送和功率反送两种工况下，分析DC/DC变换器两侧分别发生直流双极短路故障后的故障响应，并提出对应的故障隔离策略。针对不同工况下的双极短路故障，在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真。仿真结果表明所提出变换器具备双向阻断直流故障的能力，与其他类型的DC/DC自耦变换器的对比分析结果验证了所提出变换器的经济性。     

直流微电网中电压源型变流器故障穿越控保协同策略

目前，直流微电网的保护方案主要是基于传统保护思想，由于直流故障时冲击电流大、上升速度快，可供使用的数据信息极少，导致对保护装置的快速检测和开断能力要求较高，大幅增加了系统的建设运行成本。以典型直流微电网为研究对象，深入分析了AC/DC、DC/DC等电压源型变流器的故障特性，提出了一种具备直流故障穿越能力的电压源型变流器控保协同策略，通过设计通用的直流故障穿越模块，能够在故障发生时快速隔离故障，并主动输出稳定可控的短路电流，以降低保护检测难度；同时，该附加模块还能自动诊断外部故障清除情况，以快速恢复系统运行。最后通过仿真验证了所提控保协同策略的有效性。     

直流微网DC/DC变换器的虚拟直流电机控制策略研究

直流微网是小惯性系统,负荷频繁投切和新能源出力波动等因素都会影响母线电压的稳定。在直流微网系统中,往往通过储能单元维持系统功率平衡和母线电压稳定。针对储能端口双向DC/DC变换器,提出一种简化的虚拟直流电机控制方法,以增强系统的惯性和阻尼;建立虚拟直流电机控制的小信号模型,分析控制策略的稳定性和动态特性;对于动态响应初期母线电压的冲击性变化,提出输出电流前馈的小信号模型补偿方法,进一步平滑母线电压的动态过程;最后通过仿真分析验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

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。     

基于智能电流控制设备的直流配电网故障穿越方法

低压直流配电网常规低压配网开关的开断速度难以保障系统双极短路故障的快速隔离.在配电网中引入了智能电流控制设备,直流变压器低压侧配置改进直流阻断模块,在故障时阻断电源对故障点的短路放电,实现故障电流的快速抑制;馈线开关柜配置阻尼断路器,故障时高速开关快速分断投入阻尼电阻,增大短路回路的阻抗.该方法在馈线出现短路时,可快速隔离故障,故障隔离后通过改进直流阻断模块将电源重新投入系统供电,实现了系统的故障穿越.通过RTDS仿真验证了所述故障穿越控制策略的有效性.     

基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统故障分析

作为模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的一种,钳位双子模块(ClampDouble Sub-module,CDSM)型MMC具有直流故障自清除能力。但基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统,在直流故障特性等方面与其他类型MMC构成的直流系统存在较大差异。为此,首先分析了联接变压器不同接地方式下的电容放电回路,阐述了直流故障对交流侧的影响。其次,在CDSM故障闭锁情况下,划分了MMC换流器端单极接地和极间短路时的故障阶段,建立各阶段的等值模型并求解。阐述了DC/DC换流器及光伏电源对极间短路故障回路的影响,并对DC/DC换流器侧的暂态过程进行了分析。最后,在PSCAD/EMTDC中建立基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统模型,验证了分析结果的正确性。     

连接交流系统的HVDC线路暂态稳定判别及保护机制

随着交/直流混联系统不断推广应用,混联系统的保护动作机制决定着系统的稳定性。提出了一种交直流混联系统稳定性判别原则,根据直流系统故障后的恢复运行极限时间配置保护。分析了交直流混联系统的暂态稳定性模型,推导出了HVDC连接下的电磁功率表达式。以两机交直流混联系统为例,分析了暂态稳定的AC/DC等面积定则,给出了故障前、故障中和故障后的分析。根据两机系统暂态稳定判据,提出了直流系统故障下的恢复运行的极限时间,以此配置保护,提高混联系统的暂态稳定性。通过仿真算例,分析了影响AC/DC系统暂态稳定性的主要参数,同时说明了所提方法的适用性。     

带恒功率负荷并联Boost DC/DC电压源组网系统稳定性分析

针对直流组网中并联Boost DC/DC变换器带恒功率负荷的“源-荷”级联系统稳定性问题,利用特征值法和阻抗比法重点分析了并联Boost DC/DC变换器系统的稳定性和带恒功率负荷的能力,并通过时域仿真法验证理论分析的正确性,系统性比较了V-I和I-V下垂控制在并联Boost DC/DC变换器系统应用中的优缺点。多台并联Boost DC/DC变换器带阻感负荷时,控制器参数的稳定域基本不随并联台数的增加而改变,V-I下垂系统随虚拟阻抗减小(I-V下垂系统随虚拟阻抗增加)系统稳定性变差;带恒功率负荷时,系统带载能力大小变化与稳定性方向一致。相同虚拟阻抗下,多台并联V-I下垂系统带载能力大于I-V下垂系统。为V-I和I-V两类下垂控制在并联Boost DC/DC变换器实际工程中的应用提供了一般设计规律。