功率开关失效下的电力电子变压器故障特性分析与仿真*

文中介绍了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;选取了具有直流故障闭锁功能的钳位双子模块型模块化多电平换流器、双主动桥和三相逆变器作为研究对象,对电力电子变压器输入级、隔离级和输出级换流器在功率开关短路故障和开路故障下的故障特性进行了理论分析;基于PSCAD仿真平台,搭建了10 k V电力电子变压器仿真模型,对所分析的故障类型进行了仿真验证,证明了理论分析的正确性;依据理论分析和仿真结果,对各类故障下的故障特性进行了统计,指出了对电力电子变压器影响较大的故障类型。     

基于MMC的配电网电力电子变压器接地设计及故障特性分析

对基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的配电网电力电子变压器在发生交流输入侧单相接地故障、中压直流侧单极接地故障、低压直流侧单极接地故障以及交流输出侧单相接地故障下的故障特性进行了分析。参考MMC-UPFC、MMC-HVDC以及低压交流配电网现有的接地方案,提出适用于配电网电力电子变压器的接地方式:交流输入侧接地变压器接地、交流输入侧大电抗接地、中压直流侧大电阻接地、低压直流侧电容中点接地以及交流输出侧接地变压器接地。对上述接地故障在不同接地方式下的故障特性进行了对比分析,并通过PSCAD仿真平台对所分析接地方式及故障特性进行了仿真验证。最后,基于故障特性分析结果并考虑目前的制造技术,提出了输入侧、输出侧分别采用接地变压器接地作为目前配电网电力电子变压器接地方式的建议。     

基于MMC的电力电子变压器保护系统研究*

介绍了基于MMC的电力电子变压器主电路拓扑及运行原理;对其可能出现的故障类型配置了相应的故障量测点以及保护方法;对MMC型电力电子变压器中存在的特殊故障及保护问题进行了详细分析,包括交流输入侧接地电阻的选择对交流侧接地故障和直流侧单极接地故障的影响,直流双极短路故障发生后采用具有直流故障电流抑制能力的箝位双子模块替换半桥子模块之后产生的过电压问题,以及电力电子变压器隔离级串联电容迅速放电产生冲击过电流问题;针对以上问题提出了相应的保护应对策略,并通过PSCAD仿真证明了所提策略的正确性和有效性。     

功率开关故障情况下MMC型电力电子变压器的故障穿越运行策略

基于模块化多电平结构的电力电子变压器输入级、隔离级和输出级均包含大量的IGBT和续流二极管。针对各层级IGBT和续流二极管在开路故障和短路故障下的电路拓扑和故障特性进行了分析,根据电力电子变压器各层级的特点,设计了相应的冗余方案以实现故障穿越:输入级采用子模块热备用冗余;隔离级首先对双有源桥进行了改进,通过在其串联电容侧并联半桥模块以便于单级双有源桥的切除,以此为基础为隔离级配置了热备用的冗余;输出级逆变器采用桥臂冗余。最后,通过仿真验证了所提故障穿越运行策略的有效性。     

低压直流母线AC-DC电力电子变压器及其短路故障穿越方法

传统的基于半桥型模块化多电平电力电子变压器使用大量的开关器件和无源元件,限制了其功率密度和效率的提高。提出了一种组合全桥型模块化多电平换流器(MMC)和输入侧间接串联型输入串联输出并联DC-DC变换器的电力电子变压器拓扑,MMC输出等级较低的中压直流母线,可减少隔离级DC-DC模块数量,且可以实现故障时的自阻断功能。通过改变DC-DC变换器模块输入侧的串联连接方式,可有效避免中压直流端口短路时导致DC-DC变换器输入侧电容短路问题。该电力电子变压器拓扑同时具备中压和低压直流端口,且可以有效降低开关器件、无源元件、高频变压器以及DC-DC变换器模块数量,提高电力电子变压器的功率密度、效率和故障穿越能力。最后基于MATLAB/Simulink,搭建了该电力电子变压器的仿真模型,仿真结果验证了该拓扑的可行性。     

一种三相级联型电力电子变压器及其控制策略研究

针对直流微网的并网问题,设计一种三相级联型电力电子变压器,高压交流输入级采用星形级联型H桥拓扑,低压直流输出级使用输出并联的隔离式双向主动全桥结构。在直接接入交流配电网的同时,为分布式能源提供了一个稳定的直流接口。文中针对两级分别设计了闭环的控制方法,特别是对于高压级的星形级联型拓扑提出了一种简单的相间和相内直流侧平衡控制方法。通过仿真和实验验证了上述拓扑结构和控制策略的可行性和有效性。     

含电力电子变压器的配电网单相接地故障集成化消弧方法

在电力电子变压器输入级变流器直流侧电容中点设置接地支路,配合αβ0坐标系下的多变量解耦控制,提出一种配电网单相接地故障集成化消弧方法,该方法具备基于0轴电压调控的配电网对地参数不对称补偿、单相接地故障选相、自适应消弧功能和基于α、β轴电压调控的源端功率平衡功能.配电网正常运行时,实时监测配电网对地参数不对称引起的中性点...     

基于PET控制特性的交直流配电网直流侧低频振荡分析

随着新能源、储能和柔性直流技术的发展,交直流混合配电网逐渐成为未来配电网的重要发展方向,大量电力电子设备接入给配电网带来了低频振荡等动态问题。为深入研究交直流混合配电网直流侧低频振荡问题,文中根据交直流配电网系统实际工程应用,对电力电子变压器主阀塔中的H桥串联和隔离型双向有源桥结构、三相逆变器以及三相Buck变换器等关键环节进行详细建模。通过时域仿真,复现了该交直流配电网实际工程中直流侧的4 Hz低频振荡现象,验证了所建数学模型的正确性。基于所建数学模型对功率和控制器参数等关键影响因素进行了定性分析,最终得出结论如下：功率水平、Buck环节电压环控制参数影响系统稳定性;Buck环节电流环积分系数影响振荡频率。     

C-MMC型电力电子变压器直流故障分析与保护方法研究

对模块化多电平换流器 (Modular Multilevel Converter,MMC)型电力电子变压器的拓扑结构及实现原理进行介绍。分析了在采用半桥子模块的MMC中发生中压直流母线双极短路故障后的电流流通路径,以及其不能实现直流故障闭锁的原因。为解决上述问题,选取箝位双子模块代替半桥模块,并分析了其故障电流流通路径和故障闭锁原理。但由于箝位双子模块在直流故障闭锁后可能出现子模块过电压问题,为此,提出了电力电子变压器隔离级延时闭锁的策略,并分析了MMC闭锁后在该策略下隔离级闭锁前的故障电流流通路径。最后,通过PSCAD仿真平台对箝位双子模块的闭锁功能和隔离级延时闭锁策略进行了仿真验证。     

低压直流配电网主动限流控制及保护方案

低压直流配电网直接面向电力用户,其短路故障对供电可靠性造成严重影响。电力电子变压器具备主动限流能力,能够改善低压直流配电网的故障运行性能。文中针对低压直流配电网短路故障,提出了一种电力电子变压器的主动限流控制方法。结合各类低压直流变换器的接口特点,分析了电流故障分量的方向性特征。基于此,构建了低压直流配电网的保护方案。该方案无须借助通信系统和附加边界元件,能适用于不同的电网结构。仿真试验验证了主动限流控制方法及保护方案的正确性和有效性。     

Control of Electronic Power Transformer with Star Configuration under Unbalanced Load Conditions

The electronic power transformer has many advantages, such as reactive power compensation, voltage regulation, harmonic suppression, and power factor correction. When a three-phase electronic power transformer with a star configuration is applied in the distribution network, three-phase load unbalance will cause three-phase DC voltage unbalance if the electronic power transformer controller generates improper asymmetric voltage signals, which may trigger over-voltage protection. The effects of three-phase load unbalance to the work condition of the electronic power transformer are analyzed, and a control algorithm is proposed to balance three-phase DC voltages in this article. Meanwhile, input stage control, isolation stage control, output stage control, and individual DC voltage balancing control are presented. Simulation and lab experimental results show that the electronic power transformer still works properly even under serious unbalanced load conditions.     

适用于直流配网的故障自清除型电力电子变压器

基于MMC-ISOP电力电子变压器结构的直流配电系统发生中压直流母线双极短路故障后,若采用常规半桥型MMC子模块,交流母线会与故障点构成三相短路而产生较大故障电流损坏功率器件,后级ISOP变换器输入侧若采用直接串联方式同样无法避免输入电容对地放电问题。提出具有故障电流自清除能力MMC子模块拓扑,未提高器件数量、电容耐压等级,且保证了阻断能力。提出DAB变换器输入侧混合串联型ISOP拓扑,可有效切断故障后电容放电通路,降低电容电压应力及电感电流脉动,缩短故障后系统恢复时间。利用Simulink软件搭建了直流配网稳态及故障状态仿真模型,仿真结果验证拓扑结构有效性及理论分析准确性。     

Research on power electronic transformer applied in AC/DC hybrid distribution networks

The AC/DC hybrid distribution network is one of the trends in distribution network development, which poses great challenges to the traditional distribution transformer. In this paper, a new topology suitable for AC/DC hybrid distribution network is put forward according to the demands of power grid, with advantages of accepting DG and DC loads, while clearing DC fault by blocking the clamping double sub-module(CDSM) of input stage. Then, this paper shows the typical structure of AC/DC distribution network that is hand in hand. Based on the new topology, this paper designs the control and modulation strategies of each stage, where the outer loop controller of input stage is emphasized for its twocontrol mode. At last, the rationality of new topology and the validity of control strategies are verified by the steady and dynamic state simulation. At the same time, the simulation results highlight the role of PET in energy regulation.     

基于三电平拓扑的电力电子变压器研究

提出一种改进的基于三电平拓扑的电力电子变压器(PET).输入级、隔离级与输出级结构分别采用二极管箝位式三电平PWM整流器、零电压开关半桥三电平DC/DC变换器和两电平逆变器.与两电平PET相比,可在有效提高输入电压等级的同时降低开关损耗.针对变压器各环节结构特点设计了控制方案,并在配电系统环境下对其进行了建模和仿真.仿...     

微电网混合型联网变压器及其故障阻隔协调控制

交直流混合微电网（HMG）联网与优化运行中,常规工频变压器不具备短路故障阻隔和电压综合控制能力。对此,提出一种适用于HMG的混合型联网变压器（HIT）,并构建新型基于混合型联网变压器的交直流混合微电网（HIT-HMG）。介绍了HIT拓扑结构并分析其运行原理,构造新型三柱三绕组工频变压器进行电压等级变换和部分功率传输,由串联变流器实现HMG的电压和电流主动控制。对HIT及串联变流器进行数学建模,建立新型工频变压器的等效磁路模型和等效电路模型。考虑配电网不同位置与故障类型,提出HITHMG故障阻隔控制策略。对所提HIT及控制方案进行仿真和实验验证,结果表明通过控制HIT的串联绕组电压,可以阻隔中高压配电网故障对HMG的影响。     

基于电压平衡器的固态变压器及其控制策略研究

固态变压器是交直流混合配电网的核心装置。针对低压直流配电网一般采用双极性供电的特点,提出了一种基于电压平衡器的固态变压器拓扑。所提拓扑的中间级DC/DC包括输入半桥、双有源桥和电压均衡3部分,结合其运行模式给出了各部分的控制策略。为了分析系统的大信号稳定性并加快仿真速度,给出了中间级DC/DC子模块的大信号回转器模型,并采用仿真方法验证了所提拓扑和控制策略的有效性。所提出的基于电压均衡器的固态变压器具有多个电压端口,能够与中高压电网及低压电网相连,提供自身用电或组网运行。     

基于开关复用型子模块的电力电子变压器及其控制策略

直流配电系统一般采用双极性供电形式,其中真双极接线形式在故障工况下正、负极可单独运行,但成本较高,适用于对可靠性要求较高的场合。为实现电力电子变压器在真双极接线形式的直流配电系统中的应用并有效降低装置成本,文中提出了一种基于开关复用型子模块的电力电子变压器拓扑,并对其工作原理和控制策略进行分析。所提电力电子变压器控制包括低压端口电压控制和电压均衡控制,电压均衡控制器和低压端口电压控制器相互解耦,方便独立设计。相比传统真双极接线形式,所提子模块中双有源桥和电压均衡电路之间功率开关实现了有效复用,能够有效降低系统成本,提高功率密度。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。