應(yīng)用于直流電源電網(wǎng)的直接耦合式直流穩(wěn)壓電源變壓器
2017-7-1 13:55:15??????點擊：
1團(tuán)隊介紹
蔡旭教授帶領(lǐng)的上海交通大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心具有新能源及直流電源儲能電力變換與并網(wǎng)、風(fēng)電變流器及整機控制、新能源直流電源并網(wǎng)等研究方向，由9位教師、1位博士后研究人員、1位工程師、40余位博士、碩士生組成，發(fā)表相關(guān)論文300余篇，獲40余項國家發(fā)明專利授權(quán)。
風(fēng)電直流電源并網(wǎng)研究小組致力于大型海上風(fēng)電直流電源匯聚與并網(wǎng)中的關(guān)鍵變換器、柔性直流電源組網(wǎng)方式與控制保護(hù)、風(fēng)場柔直并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究。研究小組目前共有博士研究生7人，教師2人。近3年來在直流電源方向發(fā)表論文30余篇，申請發(fā)明專利20余項。與南網(wǎng)電氣科學(xué)院、中國電科院、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、甘肅風(fēng)電研究中心、上海電氣、FUJI電機、英國Aberdeen大學(xué)、挪威NTNU和加拿大SFU等大學(xué)和科研機構(gòu)在柔性直流電源輸電領(lǐng)域建立了廣泛的合作關(guān)系。
蔡旭（1964），上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。研究方向為可再生能源電力變換與并網(wǎng)技術(shù)。作為第一完成人獲省部級科技進(jìn)步二等獎2項、三等獎4項、國內(nèi)發(fā)明專利授權(quán)15項；出版專著1部，發(fā)表論文300余篇。2005年起與上海電氣集團(tuán)合作，完成1.25MW、2MW和3.6MW風(fēng)電變流器、1.25~3.6MW風(fēng)機主控制器、2MW電動獨立變槳系統(tǒng)的研發(fā)任務(wù)，受華銳風(fēng)電委托開發(fā)了3MW全功率風(fēng)電變流器，并擔(dān)任崇明島智能電網(wǎng)綜合集成示范的技術(shù)負(fù)責(zé)人。近年來致力于風(fēng)場直流電源并網(wǎng)技術(shù)的研究，培養(yǎng)博士17人，碩士80余人。
游洪程（1992），男，博士研究生，研究方向為高壓大功率變換器和高壓直流電源輸電技術(shù)，hc_you@sjtu.edu.cn。
2項目背景
柔性直流電源技術(shù)是解決新能源并網(wǎng)的有效技術(shù)手段之一，直流電源變壓器是連接不同直流電源電壓、構(gòu)建直流電源電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。由于直流電源輸電系統(tǒng)的電壓等級高，傳統(tǒng)的斬波型DC直流穩(wěn)壓電源/DC直流穩(wěn)壓電源變換器并不適用。基于模塊化多電平變換器(modular multilevel converter，MMC)的DC直流穩(wěn)壓電源/AC/DC直流穩(wěn)壓電源變換器能實現(xiàn)高壓直流電源電壓的變換，但其需要兩級DC直流穩(wěn)壓電源/AC變換，且中間交流環(huán)節(jié)需要交流變壓器，因此整體成本高、效率低。
3論文所解決的問題及意義
本文提出了一種基于鏈?zhǔn)阶幽K的直接耦合式直流電源變壓器拓?fù)?，與基于MMC的DC直流穩(wěn)壓電源/AC/DC直流穩(wěn)壓電源變換器相比，該拓?fù)渌璧淖幽K數(shù)更少，且無需中間交流變壓器。本文還提出了一種階梯波兩電平調(diào)制方法，與傳統(tǒng)的正弦波調(diào)制方法相比，該調(diào)制方式開關(guān)頻率更低、交流環(huán)流更小、所需的子模塊電容大大減小，因此可有效降低變換器的成本、體積和損耗?！?/span>
4論文重點內(nèi)容
1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理
本文提出的直接耦合式直流電源變壓器拓?fù)淙鐖D1所示，直流電源變壓器用于連接電壓等級不同的直流電源輸電系統(tǒng)UDC直流穩(wěn)壓電源1和UDC直流穩(wěn)壓電源2，其中UDC直流穩(wěn)壓電源1>UDC直流穩(wěn)壓電源2。該拓?fù)渖蠘虮塾蓸虮垭姼蠰a和n個半橋型子模塊(鏈?zhǔn)侥K1)串聯(lián)而成，下橋臂由n個半橋型子模塊(鏈?zhǔn)侥K2)串聯(lián)而成，其中半橋型子模塊如圖1所示。橋臂中點通過一個濾波電感Lf與低壓側(cè)電壓源UDC直流穩(wěn)壓電源2連接。
圖1 直接耦合式直流電源變壓器拓?fù)?/span>
變換器的基本工作波形如圖2所示，鏈?zhǔn)侥K1和2均工作在階梯波兩電平PWM模式下，開關(guān)周期為T，占空比分別為(1-d)和d。與兩電平調(diào)制不同，階梯波兩電平調(diào)制可有效降低變換器的dv/dt應(yīng)力。鏈?zhǔn)侥K2輸出電壓uCl2 相對于鏈?zhǔn)侥K1輸出電壓uCl1 存在相移，移相占空比為ds。變換器通過調(diào)節(jié)占空比d來調(diào)節(jié)輸出電壓，通過調(diào)節(jié)移相占空比ds來實現(xiàn)鏈?zhǔn)侥K1和2的能量均衡。
圖2 階梯波準(zhǔn)兩電平調(diào)制主要波形
2）損耗分析
本文詳細(xì)分析了變換器的開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗。圖3給出了不同變比下，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗占直流電源變壓器總傳輸功率的百分比數(shù)。其中直流電源變壓器的開關(guān)頻率取200Hz，子模塊中IGBT采用ABB公司的5SNA 1000N330300 IGBT模塊。從圖中可以看到變換器的損耗在1%以內(nèi)，能滿足高壓直流電源變壓器高效率的要求。
圖3 開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗所占百分比
5結(jié)論
本文提出了基于階梯波兩電平調(diào)制的直接耦合式直流電源變壓器，大幅降低了直流電源變壓器的成本與損耗，具有以下特點：1）不需要交流變壓器；2）階梯波準(zhǔn)兩電平調(diào)制策略能有效降低鏈?zhǔn)侥K輸出電壓的dv/dt；3）每個子模塊一個周期內(nèi)只投入和切除一次，開關(guān)頻率更低；4）交流環(huán)流??；5）所需的子模塊電容容值相比正弦波調(diào)制更小。
6引文信息
游洪程, 蔡旭. 應(yīng)用于直流電源電網(wǎng)的直接耦合式直流電源變壓器[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2017, 37(9): 2516-2524.
You Hongcheng, Cai Xu. Direct-coupled DC直流穩(wěn)壓電源 transformers applied to DC直流穩(wěn)壓電源 Grids [J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(9): 2516-2524 (in Chinese).
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