分相级联大容量高压直流变压器拓扑及控制策略

吴小丹; 殷子寒; 朱海勇

doi:10.7500/AEPS20230417002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

分相级联大容量高压直流变压器拓扑及控制策略

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 分相级联大容量高压直流变压器拓扑及控制策略
- Topology and Control Strategy of Split-phase Cascaded High-voltage Large-capacity DC Transformer
- 电力系统自动化 2023年47卷第17期页码：137-148
- 作者机构：
  
  1.南京南瑞继保电气有限公司,江苏省南京市 211102
  2.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏省南京市 211106
- 作者简介：
  
  吴小丹(1982—)，男，通信作者，硕士，高级工程师，主要研究方向：柔性交直流输电系统及应用、柔性低频输电系统。E-mail：wuxd@nrec.com
  殷子寒(1995—)，女，硕士，工程师，主要研究方向：柔性直流输电系统及应用。E-mail：yinzihan@nrec.com
  朱海勇(1991—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：柔性直流输电系统及应用。E-mail：zhuhy@nrec.com
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2021YFB2401100);已申请国家发明专利（申请号：202211184184.2）
- DOI：10.7500/AEPS20230417002
  中图分类号：
- 收稿：2023-04-17，
  
  修回：2023-05-23，
  
  网络出版：2023-07-13，
  
  纸质出版：2023-09-10
- 稿件说明：
移动端阅览
吴小丹,殷子寒,朱海勇.分相级联大容量高压直流变压器拓扑及控制策略[J].电力系统自动化,2023,47(17):137-148.

WU Xiaodan,YIN Zihan,ZHU Haiyong.Topology and Control Strategy of Split-phase Cascaded High-voltage Large-capacity DC Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(17):137-148.
吴小丹,殷子寒,朱海勇.分相级联大容量高压直流变压器拓扑及控制策略[J].电力系统自动化,2023,47(17):137-148. DOI： 10.7500/AEPS20230417002.

WU Xiaodan,YIN Zihan,ZHU Haiyong.Topology and Control Strategy of Split-phase Cascaded High-voltage Large-capacity DC Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(17):137-148. DOI： 10.7500/AEPS20230417002.

摘要

文中提出一种分相级联大容量高压直流变压器拓扑，可有效满足包括光伏等新能源系统的接入及送出。该拓扑采用高压侧3个单相模块化多电平换流器（MMC）级联及中压侧三相MMC结构，通过400 Hz中频变压器进行电气隔离，可有效降低功率模组直流侧电容容值。为解决高压侧桥臂电容电压均衡的难题以提高拓扑运行的可靠性，提出了高、中压两侧解耦的控制策略。高压侧采用包括桥臂直流环流及中频环流控制在内的5层桥臂电容电压逐层控制方案，并通过3个单相

闭环控制建立中频交流电压。中压侧采用电流双序控制附加静止坐标系统下的电流直接控制以抑制桥臂内部环流。最后，搭建电磁暂态仿真模型，并通过稳态、动态及暂态实验全面验证所提拓扑及控制策略的有效性。

Abstract

This paper proposes a split-phase cascaded high-voltage large-capacity DC transformer topology

which can effectively meet the requirements for the connection and transmission of renewable energy such as photovoltaic system. This topology adopts three single-phase cascaded modular multilevel converter (MMC) on the high-voltage side and a three-phase MMC on the medium-voltage side. The DC capacitance of the power module can be effectively reduced through the 400 Hz intermediate-frequency transformer for electrical isolation. In order to improve the reliability of the topology operation by solving the capacitor voltage balance difficulties between the bridge arms on the high-voltage side

a decoupling control strategy for the high-voltage and medium-voltage sides is proposed. A 5-layer bridge arm capacitor voltage control scheme including bridge arm DC and intermediate-frequency circulating current control is adopted on the high-voltage side

and the intermediate-frequency AC voltage is established through three single-phase

V/f

closed-loop control. The medium-voltage side adopts double-sequence current control with additional instantaneous current control under the static coordinate system to suppress the circulation current between the bridge arms. Finally

an electromagnetic transient simulation model is established

and the effectiveness of the proposed topology and control strategy is comprehensively verified through steady-state

dynamic

and transient experiments.

关键词

Keywords

references

国家能源局 . “十四五”现代能源体系规划［EB/OL］.（ 2022-01-29 ）［ 2022-04-12 ］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm .

National Energy Administration . “ 14th Five-Year-Plan” modern energy system planning ［EB/OL］. （ 2022-01-29 ）［ 2022-04-12 ］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm .

辛保安，郭铭群，王绍武，等 . 适应大规模新能源友好送出的直流输电技术与工程实践［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 22 ）： 1 - 8 .

XIN Baoan ， GUO Mingqun ， WANG Shaowu ， et al . Friendly HVDC transmission technologies for large-scale renewable energy and their engineering practice ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 22 ）： 1 - 8 .

樊肖杰，迟永宁，马士聪，等 . 大规模海上风电接入电网关键技术与技术标准的研究及应用［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 8 ）： 2859 - 2870 .

FAN Xiaojie ， CHI Yongning ， MA Shicong ， et al . Research and application of key technologies and technical standards for large-scale offshore wind farms connecting to power grid ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 2859 - 2870 .

饶宏，周月宾，李巍巍，等 . 柔性直流输电技术的工程应用和发展展望［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 1 ）： 1 - 11 .

RAO Hong ， ZHOU Yuebin ， LI Weiwei ， et al . Engineering application and development prospect of VSC-HVDC transmission technology ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 1 ）： 1 - 11 .

吴小丹，李建春，董云龙，等 . 面向低频海上风电送出的模块化多电平矩阵变换器综合解耦控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 8 ）： 3177 - 3191 .

WU Xiaodan ， LI Jianchun ， DONG Yunlong ， et al . Comprehensive decoupling control strategy for modular multilevel matrix converter for low frequency offshore wind power transmission ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 8 ）： 3177 - 3191 .

郑涛，宋伟男，吕文轩 . 基于M3C的低频输电系统不对称故障穿越控制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 8 ）： 107 - 117 .

ZHENG Tao ， SONG Weinan ， LÜ Wenxuan . Asymmetric fault ride-through control strategy for a low frequency AC transmission system based on a modular multilevel matrix converter ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 8 ）： 107 - 117 .

徐攀腾，朱博，喻文翔，等 . 昆柳龙直流工程受端高频谐振评估及抑制［J］. 中国电力， 2022 ， 55 （ 3 ）： 9 - 17 .

XU Panteng ， ZHU Bo ， YU Wenxiang ， et al . High-frequency resonance evaluation and suppression measures for receiving-end of Kun-Liu-Long DC project ［J］. Electric Power ， 2022 ， 55 （ 3 ）： 9 - 17 .

杨诗琦，刘开培，秦亮，等 . MMC-HVDC高频振荡问题研究进展［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 10 ）： 3485 - 3496 .

YANG Shiqi ， LIU Kaipei ， QIN Liang ， et al . Research progress of high frequency oscillation in MMC-HVDC ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 10 ）： 3485 - 3496 .

孙冠群，尹项根，赖锦木，等 . 模块化多电平直流变压器容错控制策略［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （增刊1 ）： 246 - 256 .

SUN Guanqun ， YIN Xianggen ， LAI Jinmu ， et al . Fault-tolerant control strategy of modular multilevel DC transformer ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ Supplement 1 ）： 246 - 256 .

杨晓峰，郑琼林，林智钦，等 . 用于直流电网的大容量DC/DC变换器研究综述［J］. 电网技术， 2016 ， 40 （ 3 ）： 670 - 677 .

YANG Xiaofeng ， ZHENG Trillion Q ， LIN Zhiqin ， et al . Survey of high-power DC/DC converter for HVDC grid application ［J］. Power System Technology ， 2016 ， 40 （ 3 ）： 670 - 677 .

马文忠，田洪英，刘慧玉，等 . 非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制［J］. 电力系统保护与控制， 2021 ， 49 （ 22 ）： 51 - 58 .

MA Wenzhong ， TIAN Hongying ， LIU Huiyu ， et al . A minimized AC circulating control strategy for a non-isolated modular multilevel DC/DC converter ［J］. Power System Protection and Control ， 2021 ， 49 （ 22 ）： 51 - 58 .

ZHAO B ， SONG Q ， LI J G ， et al . High-frequency-link DC transformer based on switched capacitor for medium-voltage DC power distribution application ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2015 ， 31 （ 7 ）： 4766 - 4777 .

张航，李子欣，高范强，等 . 一种混合模块型直流变压器冗余设计及控制策略［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 2 ）： 409 - 423 .

ZHANG Hang ， LI Zixin ， GAO Fanqiang ， et al . A redundant design and control strategy of hybrid modular DC transformer ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 409 - 423 .

李建国，赵彪，宋强，等 . 直流配电网中高频链直流变压器的电压平衡控制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 2 ）： 327 - 334 .

LI Jianguo ， ZHAO Biao ， SONG Qiang ， et al . DC voltage balance control strategy of high frequency link DC transformer in DC distribution system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 2 ）： 327 - 334 .

SONG Q ， ZHAO B ， LI J G ， et al . An improved DC solid state transformer based on switched capacitor and multiple-phase-shift shoot-through modulation for integration of LVDC energy storage system and MVDC distribution grid ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 8 ）： 6719 - 6729 .

李彬彬，王宁，赵晓东，等 . 适用于全直流海上风电场的柔性换流高压大容量直流变压器［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 22 ）： 129 - 141 .

LI Binbin ， WANG Ning ， ZHAO Xiaodong ， et al . High-voltage large-capacity DC transformer based on flexible commutation for full-DC offshore wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 22 ）： 129 - 141 .

HUANG J ， WANG Y ， LI Z Q ， et al . Unified triple-phase-shift control to minimize current stress and achieve full soft-switching of isolated bidirectional DC-DC converter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2016 ， 63 （ 7 ）： 4169 - 4179 .

李彬彬，张玉洁，张书鑫，等 . 具备故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 5 ）： 53 - 59 .

LI Binbin ， ZHANG Yujie ， ZHANG Shuxin ， et al . DC/DC converter with fault blocking capability for HVDC transmission system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 53 - 59 .

YANG H ， SAEEDIFARD M ， YAZDANI A . An enhanced closed-loop control strategy with capacitor voltage elevation for the DC-DC modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 3 ）： 2366 - 2375 .

CHEN W ， FU X H ， XUE C Y ， et al . Indirect input-series output-parallel DC-DC full bridge converter system based on asymmetric pulse width modulation control strategy ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3164 - 3177 .

KENZELMANN S ， RUFER A ， DUJIC D ， et al . Isolated DC/DC structure based on modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2015 ， 30 （ 1 ）： 89 - 98 .

刘贝，涂春鸣，肖凡，等 . 中低压直流变压器拓扑与控制综述［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 5 ）： 232 - 246 .

LIU Bei ， TU Chunming ， XIAO Fan ， et al . Review of topology and control strategy of medium- and low-voltage DC transformer ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 232 - 246 .

阮新波，张力，黄新泽 . 单相电力电子变换器的二次谐波电流抑制技术［M］. 北京：机械工业出版社， 2022 .

RUAN Xinbo ， ZHANG Li ， HUANG Xinze . Second harmonic current reduction techniques for single-phase power electronics converter systems ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 2022 .

LÜTH T ， MERLIN M M C ， GREEN T C ， et al . High-frequency operation of a DC/AC/DC system for HVDC applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 8 ）： 4107 - 4115 .

赵彪，崔彬，马已青，等 . 基于IGCT-Plus和中频隔离的大容量直流变压器［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 3 ）： 1114 - 1123 .

ZHAO Biao ， CUI Bin ， MA Yiqing ， et al . Large capacity DC transformer based on IGCT-Plus and intermediate frequency isolation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 1114 - 1123 .

吴小丹，王鹏飞，朱海勇，等 . 基于全通复矢量滤波器的VSC电流双序控制建模及稳定性分析［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 7 ）： 2776 - 2784 .

WU Xiaodan ， WANG Pengfei ， ZHU Haiyong ， et al . Modeling and stability analysis of voltage source converter current double sequence control based on all pass complex vector filter ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 7 ）： 2776 - 2784 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

双极面对面模块化多电平换流器型直流变压器快速保护方案

适用于MMC型直流变压器的直流故障主动限流控制方法