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。     

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。     

基于饱和电感的DC/DC开关变换器特性分析

移相全桥DC/DC变换器以其电路结构简单、开关损耗小、控制方便等优点在许多中大功率场合中得到了普遍的应用,但该变换器存在滞后桥臂换流困难、占空比丢失等问题,导致电路环流损耗增加,降低了变换器效率。针对以上问题,设计了一种基于饱和电感的DC/DC开关变换器。在分析变换器电路工作过程的基础上,讨论了饱和电感对电路局部谐振的影响,给出了饱和电抗器设计方法。最后通过实验验证了理论分析的正确性和可行性,实现了滞后桥臂的零电流开关,降低了环流能量,提高了DC/DC变换电路的效率。     

新型混合式高压直流输电DC/DC变换器

针对高压直流电网中现有DC/DC变换器拓扑在成本、效率方面的不足,提出了一种基于模块串联技术以及晶闸管、二极管串联技术的混合式DC/DC变换器拓扑,以实现高压直流电网中不同电压等级的互联。对该拓扑结构的工作原理、控制策略、元器件参数设计、经济性等方面进行了全面的分析论证。最后,在MATLAB中进行了仿真,验证了所提DC/DC变换器的可行性。     

基于容性能量转移原理的高压大容量DC/DC变换器

随着基于电压源型换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)技术的快速发展,十几年间世界范围内已建成数十个各种不同电压等级的VSC-HVDC工程。根据交流电网的发展历史,未来构建大规模直流电网是必然趋势。然而直流电网必须采用DC/DC变换器来充当直流变压器的角色,因此高效率、低成本的高压大容量DC/DC变换器是直流电网技术中亟待攻克的关键基础性课题。该文针对不同电压等级直流输电线路互联的技术需求,对经典低压DC/DC拓扑进行改造,推演出一系列基于容性能量转移原理的高压大容量DC/DC变换器拓扑,并揭示此类拓扑的演化规律和换流原理。相比传统变换器方案,该拓扑可降低器件数量,提升拓扑转换效率以及减小变换器体积重量。最后,通过仿真和实验验证基于容性能量转移原理的DC/DC变换器的可行性。     

DC/DC/AC混合型MMC变换器控制策略分析与设计

研究了一种可以实现电能不同形式综合利用的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器(MMC),该结构的变换器实现了电压变换功能的多样化。首先,分析了该种可以同时实现DC/DC与DC/AC混合电压变换的模块化多电平变换器拓扑结构;然后,利用功率正交原理,设计了DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器的闭环控制策略;最后,在给定交流负载侧交流电流的前提下,实现了各个桥臂子模块电容电压的均衡控制。仿真结果验证了所提出的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器电压变换功能的可行性以及控制策略的有效性。     

一种适合宽范围输出的三电平DC/DC变换器

提出了一种宽电压范围输出的三电平DC/DC变换器,其包含两组并联的主桥臂和辅助桥臂以及级联形式连接的主变压器和辅助变压器。该变换器具有低压低功率和高压高功率两种工作模式,其中低压模式下辅助桥臂不开通以降低电路损耗,高压模式下辅助桥臂开通以提高输出电压。与传统电路相比,变压器具有更低的变比,分析了传统拓扑的损耗,并比较了新拓扑与传统拓扑在不同输出模式下的效率,得出新拓扑在低压模式下具有更高效率的结论。研制了一台2 000 W的原理样机,实验数据表明,在低压模式下新拓扑的效率仍可高达94%,较传统拓扑提升了3%,验证了理论分析的正确性。     

电网电压不对称工况下模块化多电平变换器控制策略

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)各部分之间的功率关系,提出一种适用于电网电压不对称工况的MMC综合控制策略,包括直流母线电压控制、桥臂电容电压控制和交流侧电流控制。其中,桥臂电容电压采用层次化方法控制,在电网电压不对称时,通过调整直流母线功率在MMC三相桥臂间的分配,实现交流侧电流对称。内环采用桥臂电流直接反馈控制,可实现交流侧电流、直流母线电流和环流的三重控制,在电网电压不对称时无需交流侧三序电流控制器以及三序环流控制器。提出通过在桥臂电流参考值中添加零序电流抑制器,消除由桥臂不对称损耗引入直流母线的基频零序电流。搭建了10k VA三相MMC实验样机,实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

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。     

一种采用倍流整流电路的ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器的研究

三电平DC/DC变换器多采用移相ZVS控制,而常规的移相ZVS控制的变换器,滞后臂较难实现ZVS,同时换流时的环流也会降低变换器的效率.另外,传统的输出全波整流设计,其大电流增加了输出滤波电感和变压器的体积以及整流管上的电压应力,这不利于用在低压大电流输出场合.为此,本文采用倍流整流电路的ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器,提出把实现滞后臂ZCS的谐振电容设计在副边的倍流整流电路中,有效地克服了环流的影响和降低整流管的电压应力,同时相应地减小了流过变压器副边和输出滤波电感的电流.理论分析和实验验证了方案的正确性.     

交直流微电网AC/DC双向功率变换器控制策略

为了实现交直流混合微电网的可靠并网,基于微电网中AC/DC双向功率变换器下垂控制策略和预同步工作原理,提出一种适用于混合微电网中连接交直流子网的AC/DC双向功率变换器的控制策略。孤岛/并网模式时采用双向下垂控制实现双向功率流动。在由孤岛模式转为并网模式时,利用消除dq轴电压偏差实现幅值与相位同步,无需通过锁相环获取相位信息,实现平滑并网。同时,针对微电网中由于不平衡负载导致的三相不平衡工况,采用正负序分别控制的方法实现了非理想工况下微电网的同步互联。仿真结果验证了该方案的可行性。     

基于扰动观测器的孤立交直流混合微电网双向AC/DC换流器电压波动控制策略研究

针对孤立交直流混合微电网中双向AC/DC换流器在外界扰动下出现电压波动的问题,设计了一种应用于双向AC/DC换流器的母线电压扰动观测器,以实现在分布式电源出力和负荷功率变化等外界扰动情况下对系统扰动量的快速跟踪,且无需增加额外的电压或电流传感器,保证了交直流混合微电网内分布式电源和负荷的即插即用功能。进一步地提出了基于扰动观测器的孤立交直流混合微电网双向AC/DC换流器电压波动控制策略,以有效抑制暂态电压波动和冲击,提高了孤立混合微电网在不同扰动下的动态响应性能和鲁棒稳定性。在PSCAD/EMTDC平台上搭建了孤立交直流混合微电网仿真模型,通过在不同暂态过程下的仿真测试验证了所提方法的有效性和正确性。     

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。     

向海岛电网供电的MMC-HVDC有源/无源切换控制策略

基于模块化多电平换流器的直流输电系统(Modular Multilevel Converter based High-voltage Direct Current, MMC-HVDC)可为海岛电网等重要领域供电,当海岛电网处于有源和无源网络切换过程中时,存在有功功率不平衡、交流电压振荡等不稳定问题。因此,提出一种向海岛电网供电的MMC-HVDC有源/无源切换控制策略,该控制策略对外环功率控制和相角控制进行优化,消除切换时刻的瞬时有功功率不平衡,实现海岛电网的平稳切换。最后在PSCAD/EMTDC中搭建三相MMC仿真模型。仿真结果表明,在所提出控制策略的作用下,系统在有源、无源及两者切换时刻皆可正常运行,验证了所提控制方法的有效性和正确性。     

柔性直流电网的快速电磁暂态仿真

柔性直流电网含多个模块化多电平换流器与直流断路器,需要快速准确的换流器与直流断路器仿真模型。为提高模块化多电平换流器的仿真速度,利用电容能量均分的思想简化子模块均压策略,并准确保留桥臂闭锁与不闭锁时的外特性,提出了一种能量均分模型。针对级联全桥型直流断路器,给出一种断路器支路子模块串等值电路简化方法,提出了一种快速仿真模型。在PSCAD/EMTDC中搭建模型并进行了电磁暂态仿真,验证了所提出模型的准确性与快速性。     

全桥隔离DC/DC变换器的直接功率控制方法

以无工频变压器电力牵引传动系统为应用背景,对其中的全桥隔离DC/DC变换器开展研究。在电力牵引传动系统中,单相网侧脉冲整流器直流输出电压中含有二倍电网频率的电压脉动,该二倍频脉动可能会引起电机中的拍频现象。因此,为减小该二倍频电压脉动对DC/DC变换器输出电压的影响,研究全桥隔离DC/DC变换器在输入电压动态变化时的高性能控制方法非常必要。为提高全桥隔离DC/DC变换器在输入电压脉动以及突变情况下的动态响应性能,基于单相移控制方法,提出了一种直接功率控制方法,并进行了详细的分析。最后,基于RT-LAB和赛灵思XC3S500E的半实物仿真平台和基于TMS320F28335控制器的实物实验平台对所提出的控制方法进行验证,半实物仿真和实物实验结果表明:在输入电压突变、输入电压含有脉动和波动的情况下,该直接功率控制算法能有效提高输出电压的动态性能,减小输入电压扰动对输出电压的影响。     

网压不平衡下柔直换流端能量平衡研究

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的柔性直流输电系统近年来受到广泛的关注。针对电网电压不平衡下MMC运行情况进行研究,提出了一种能量均衡控制策略,以改善模块化多电平变换器在不平衡网压条件下的换流器内部能量平衡。该策略通过分析桥臂能量与各电气信号耦合关系,在0?β坐标系下建立桥臂能量数学模型,前馈补偿的加入提高了MMC在交流电网不对称故障和突发电压不平衡情况下的抗干扰能力。通过优化换流器内部电流分量进行桥臂能量平衡控制,实现网压不平衡下交流侧电流与换流器内部能量协同控制。最后,通过Matlab/Simulink平台搭建了双端MMC仿真模型。仿真结果验证了所提出控制策略的有效性。     

基于低频电流注入的船舶直流微电网线路阻抗检测

下垂控制是船舶直流微电网中一种实现系统能量分配的有效方法。在传统下垂控制中,系统内各微源之间线路阻抗不一致,导致各分布式微源承担的功率也不一致,严重时微源直流变换器甚至出现过载故障。为了解决船舶直流微电网中由线路阻抗引起的负载均流精度问题,提出利用低频注入来检测线路阻抗的方法。通过在电感电流上注入低频交流信号,检测注入后的变换器电压、电流信息,利用傅里叶变换求得线路阻抗值,进一步补偿下垂系数。该方法可以提高微电网系统直流母线电压质量,改善直流变换器并联均流时的负载均分效果,对系统稳定运行影响小。最后仿真结果验证了该方法的有效性。     

一种高效率混合型全桥DC/DC转换器的设计

为了降低损耗,提高DC/DC转换器的效率以及工作范围,提出了一种高效率的混合型全桥DC/DC转换器。其由移相全桥串联谐振转换器和带有倍压电路的有源钳位升压转换器组合而成,并使用电路结构简单的混合控制方案。在正常输入范围内,所提出的转换器作为相移全桥串联谐振转换器工作,通过在所有开关和整流二极管上应用软开关,并降低传导损耗,从而提高转换效率。当输入低于正常输入范围时,转换器作为有源钳位升压转换器工作,增强了工作范围。由于混合操作,所提出的转换器在正常输入范围下以比常规转换器更大的相移值进行工作。因此,所提出的转换器能够在较宽的工作范围内提供高功率转换效率。最后建立了一个1 k W的原理样机,来验证所提出转换器的有效性。