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模块化多电平直流变压器可变占空比调制策略

电力电子技术 2022年第12期56卷 12-15页

作者：蒋程李臻曹增新王裕国网北京房山供电公司北京102401 广东工业大学自动化学院广东广州510006

模块化多电平直流变压器(M2DC)是直流电网实现母线连接、电压转换、电力传输和电气隔离的关键设备。随着可再生能源的大规模接入,分布式电源和负载的随机性和波动性容易引起直流母线电压波动,造成M2DC高频链(HFL)电压与变压器电压变比... 详细信息

模块化多电平直流变压器(M2DC)是直流电网实现母线连接、电压转换、电力传输和电气隔离的关键设备。随着可再生能源的大规模接入,分布式电源和负载的随机性和波动性容易引起直流母线电压波动,造成M2DC高频链(HFL)电压与变压器电压变比之间的不匹配,导致M2DC无功功率增加、电流应力增大和效率降低。在此提出一种可变占空比HFL调制策略,M2DC子模块中开关的调制波导通占空比随着两端直流电压的变化而自适应变化,使得HFL电压始终匹配变压器电压比,由此降低HFL无功功率和电流应力,提高M2DC电能质量和总体效率。通过M2DC样机实验验证了所提高频调制策略的正确性和有效性。

关键词：模块化多电平直流变压器直流电网可变占空比调制

模块化多电平直流变压器的内部振荡抑制方法研究

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模块化多电平直流变压器的内部振荡抑制方法研究

作者：吕丹南京师范大学

学位级别：硕士

为了缓解化石能源过度开采给全球造成的碳排放量过高以及温室效应等问题,越来越多的国家开始着力于能源革新,但是高比例新能源固有的间歇性会给交流电网的稳定运行带来一系列严峻挑战。而直流电网无需功率补偿和频率同步,相对稳定和易... 详细信息

为了缓解化石能源过度开采给全球造成的碳排放量过高以及温室效应等问题,越来越多的国家开始着力于能源革新,但是高比例新能源固有的间歇性会给交流电网的稳定运行带来一系列严峻挑战。而直流电网无需功率补偿和频率同步,相对稳定和易于控制,具有广阔的应用前景。因此,作为直流配电网稳定运行的核心设备,直流变压器的特性优劣起着至关重要的作用。目前最常用的模块化多电平直流变压器（Modular Multilevel DC Transformer,MMDCT）在结构上具有模块化,冗余化,可拓展等特点,并且可协调电力电子器件电压应力低和电网电压高这一突出矛盾,具有实际工程应用价值。但是,模块电容和桥臂电感及其寄生电阻串联结构可能造成系统阻尼不足,在负载或功率突变时易产生欠阻尼振荡,从而降低系统的稳定性。为了解决这个问题,本文深入分析了MMDCT振荡机理,并提出了相应的振荡抑制方法,本文的主要工作如下:1)对MMDCT的拓扑结构和运行原理进行详细阐述,分析其在类方波调制下的漏感电流和功率传输特性,并建立状态空间平均模型;2)在深入分析MMDCT振荡产生机理的基础上提出一种基于可变占空比的动态振荡抑制方法,引入振荡抑制角（Oscillation Suppression Angle,OSA）对上下桥臂子模块的开关信号脉冲边沿进行修正,从而调节环流变化趋势;进一步根据所建立的MMDCT原边二阶小信号状态空间平均模型分析OSA对系统阻尼的影响并设计相应的环流闭环控制器,以达到对系统阻尼最优补偿的效果;在PSIM仿真平台对该方法的有效性进行验证,仿真结果表明该调制方法和相应的闭环控制器设计可有效地抑制MMDCT动态振荡并提高系统的稳定性;3)为了解决OSA引入造成在环流改变的时刻由于上下桥臂所有模块同时导通而引起的桥臂电感电压应力过大的问题,针对上述所提出的振荡抑制方法进行相应的改进,使得每半个开关周期内上桥臂或下桥臂的两个开关信号改变脉冲导通或关断时刻;重新分析在改进的振荡抑制角（Modified Oscillation Suppression Angle,MOSA）引入时MMDCT的二阶小信号模型以及对系统阻尼的影响,并设计相应的闭环控制器;分析在模块内移相角和振荡抑制角共同作用下桥臂间和桥臂内电容充放电的差异,并采用根据电容电压值和电容电压变化量大小的排序算法实现桥臂内电压平衡控制。针对该改进的振荡抑制方法和闭环控制进行相应的仿真验证,证明改进方法所具有的实际价值和意义。

关键词：模块化多电平直流变压器振荡抑制电容电压平衡环流闭环控制类两电平

模块化多电平直流变压器电容均压与故障穿越研究

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模块化多电平直流变压器电容均压与故障穿越研究

作者：戚振宇华中科技大学

学位级别：硕士

直流电网是未来智能输配用电系统的重要组成部分,对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。直流变压器作为直流电网的关键设备,可以实现直流电压变换、直流电能传输与控制的作用,对直流电网的性能有着决定性的影响,引起了国内... 详细信息

直流电网是未来智能输配用电系统的重要组成部分,对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。直流变压器作为直流电网的关键设备,可以实现直流电压变换、直流电能传输与控制的作用,对直流电网的性能有着决定性的影响,引起了国内外学者的广泛关注与研究。在中高压直流场合,模块化多电平直流变压器解决了输入串联输出并联结构直流变压器功率密度低、绝缘设计复杂等一系列问题。但目前针对模块化多电平直流变压器的桥臂均压、故障特性与故障穿越等方面的研究十分有限,难以支撑变压器的动态运行与故障穿越。为了解决这一问题,本文围绕模块化多电平直流变压器的电容电压平衡控制技术与故障穿越控制技术展开研究。首先,对模块化多电平直流变压器进行了机理分析,建立了准方波调制下的模块化多电平直流变压器的功率传输模型。通过将准方波调制对应的阶梯波近似为梯形波,可以大幅简化功率计算的复杂程度,得出的功率传输模型精度较高且适用于级联模块数量不同的变压器。然后,围绕模块化多电平直流变压器电容电压均衡控制展开研究,针对桥臂内级联模块均压动态效果差的问题,提出了改进的排序均压算法;针对上、下桥臂间模块均压效果不佳的问题,提出了基于占空比调节的均压方法。对现有排序均压算法中工作模态判断单元进行优化,将功率移相角作为变压器工作模态的判据,可以有效提高排序均压算法对工作模态变化的感知速度,避免电容电压发散,提高桥臂内级联模块均压的动态性能。通过建立共模、差模电流等效回路,推导了不同模态下占空比与上下桥臂间传输功率的关系。结合变压器的工作模态调节触发信号占空比,可以有效控制上下桥臂间的传输功率,实现上下桥臂间电容电压的平衡,省去了传统方法中的滞环控制过程,有效优化了桥臂间电压均衡效果。最后,对模块化多电平直流变压器在高压直流母线故障时的故障特性进行了分析,并提出了一种低压穿越控制策略。在拓扑结构上使用全桥子模块代替半桥子模块,利用全桥子模块的闭锁特性,可以有效提升变压器的故障清除速度。同时利用全桥子模块能够输出负电平的特点,以高频变压器高压侧电压稳定为控制目标,对每个桥臂输出的电平进行实时调整,可以实现电压跌落时的故障穿越。

关键词：模块化多电平直流变压器准方波调制电压均衡控制故障特性故障穿越

模块化多电平直流变压器回流功率与容错控制研究

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模块化多电平直流变压器回流功率与容错控制研究

作者：孙冠群华中科技大学

学位级别：硕士

能源互联网可以有效解决新能源发电带来的间歇性与不确定性问题,是未来交直流配电网的发展趋势。作为能源互联网的重要支撑环节,直流配电网具有高可靠性与低成本的优点,其关键设备直流变压器也受到了广泛关注。且直流变压器还可应用于... 详细信息

能源互联网可以有效解决新能源发电带来的间歇性与不确定性问题,是未来交直流配电网的发展趋势。作为能源互联网的重要支撑环节,直流配电网具有高可靠性与低成本的优点,其关键设备直流变压器也受到了广泛关注。且直流变压器还可应用于电能路由器中作为中间环节提供电压变换、能量传递与电气隔离的功能,因此有必要对直流变压器开展深入研究,以推动能源互联网发展。模块化多电平直流变压器(MMDCT)在中高压领域优势明显,易拓展电压等级且具备故障穿越功能。但MMDCT存在回流功率过大的问题,可能会降低功率传输效率,导致开关器件过流,影响MMDCT稳定运行;此外,子模块故障会导致MMDCT桥臂子模块不对称,产生较大环流,同样会影响MMDCT的稳定运行。本文围绕MMDCT的回流功率优化控制与子模块故障容错控制问题展开了深入研究。首先,对基于准方波调制的MMDCT进行了机理分析,提出了一种近似为梯形波的功率模型计算方法,为后续研究提供了理论与模型基础。通过与实际功率模型进行对比,说明了近似功率计算方法的准确性与简便性;提出了一种桥臂电压均衡控制方法和基于功率的负载电流前馈控制方法,通过仿真与实验验证了模型的正确性与基本控制方法的可行性。其次,针对单移相控制下MMDCT存在较大回流功率的问题,提出了基于拓展移相控制的回流功率优化控制方法。采用近似功率模型算法,得出了拓展移相控制下的MMDCT回流功率优化工作区域。通过仿真可以看出,当拓展移相角工作在优化区域内时,MMDCT回流功率为零。然后,针对含冗余子模块的MMDCT子模块故障后的容错控制,提出了一种基于准方波调制的子模块轮流热备用控制方法。分析了子模块故障原因及对系统的影响,采用排序均压控制法,将每个周期内电压最高的几个子模块充当热备用子模块,无需额外设置充电设备且减小了备用子模块的投入时间。通过仿真可以看出,当子模块发生故障后,轮流热备用冗余容错方法比传统热备用方法减少了3.5s的充电时间。最后,针对无冗余子模块的MMDCT子模块故障后的容错控制,提出了一种高压侧移相的控制方法。对子模块故障后系统的不对称特性及高压侧移相控制引起的桥臂能量流动进行了分析,通过控制高压侧的移相角,可减小因不对称引起的桥臂环流。通过仿真可以看出,与其他无冗余容错控制方法相比,高压侧移相控制减小了故障桥臂的环流及冲击电流,提高了子模块利用率。

关键词：模块化多电平直流变压器准方波调制回流功率移相控制容错控制

电压自均衡直接耦合式模块化多电平直流变压器

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中国电机工程学报 2018年第21期38卷 6401-6410页

作者：孙长江蔡旭张建文施刚上海交通大学电子信息与电气工程学院

直流变压器是未来直流电网中的关键设备。针对现有直接耦合式模块化多电平直流变压器（modularmultilevel DCtransformer,MMDCT）所存在的交流环流和滤波需求大等问题,该文提出一种适用新能源接入场合的升压型MMDCT（Boost-MMDCT）拓扑... 详细信息

直流变压器是未来直流电网中的关键设备。针对现有直接耦合式模块化多电平直流变压器（modularmultilevel DCtransformer,MMDCT）所存在的交流环流和滤波需求大等问题,该文提出一种适用新能源接入场合的升压型MMDCT（Boost-MMDCT）拓扑及其控制与调制方法。其主要特点在于：1）采用准谐振电路在子模块间构建了平衡功率传递回路,相对现有MMDCT拓扑避免了贯穿桥臂和直流侧的交流环流;2）结合该文提出的相邻子模块互补投切调制方案,实现了子模块电容电压的自然均衡和稳定,控制简单、可靠;3）将加在输入电感上的方波电压幅值限制为单子模块电压,相对现有MMDCT拓扑大大减小了输入滤波电感;4）实现了多数开关的软开关运行和剩余开关的小电流关断,具有较小的开关损耗和电磁干扰。基于Matlab/Simulink,对提出的直流变压器拓扑进行仿真分析,验证其运行原理的正确性及控制算法的有效性。

关键词：直流电网模块化多电平直流变压器模块电压自均衡

模块化多电平直流变压器的傅里叶级数建模与控制器设计

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南京师范大学学报（工程技术版） 2020年第4期20卷 22-29页

作者：吴兴宇闵富红王国宁王志刚侯凯南京师范大学南瑞电气与自动化学院江苏南京210023 南瑞集团国网电力科学研究院有限公司江苏南京211106

研究模块化多电平直流变压器,其由两相模块化多电平桥臂、高频隔离变压器和并联全桥模块组成.模块化多电平桥臂采用准方波调制,并联全桥模块采用方波调制,基于傅里叶级数分析单移相控制下的工作原理和功率特性.采用傅里叶级数求和的方... 详细信息

研究模块化多电平直流变压器,其由两相模块化多电平桥臂、高频隔离变压器和并联全桥模块组成.模块化多电平桥臂采用准方波调制,并联全桥模块采用方波调制,基于傅里叶级数分析单移相控制下的工作原理和功率特性.采用傅里叶级数求和的方法建立模块化多电平直流变压器在单移相控制下的数学模型,求得单移相控制到输出电压的传递函数,在开环传递函数的基础上设计PI控制器,以达到控制输出电压的目的.最后在MATLAB/Simulink中搭建模块化多电平直流变压器的仿真模型.仿真结果表明,利用该数学模型设计的PI控制器可使直流变压器输出电压稳定.

关键词：模块化多电平直流变压器傅里叶级数 PI控制器