新能源并網(wǎng)的高增益單向直流穩(wěn)壓電源變壓器應(yīng)用方案
2018-4-19 11:17:56??????點(diǎn)擊：
一種名為高電壓比級(jí)聯(lián)式LC-AC transformer（LCT）型單向直流-直流變壓器，特別適用于新能源并網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)合。
該變壓器首先通過(guò)電壓源型換流器（VSC）將直流穩(wěn)壓電源電壓逆變成交流電壓，利用電感電容（LC）電路取得第一級(jí)升壓。然后，LC電路輸出的電壓將會(huì)通過(guò)交流變壓器得到進(jìn)一步升高，從而通過(guò)兩級(jí)升壓實(shí)現(xiàn)40倍左右高電壓比。最后，利用二極管電路將交流電壓整流得到直流穩(wěn)壓電源電壓。
本文首先闡述了LCTDC-DC的參數(shù)設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)提出了一種有效的有功功率控制策略，研究拓?fù)涞钠骷x擇及其運(yùn)行損耗估算。最后通過(guò)在PSCAD/EMTDC下搭建的LCT DC-DC仿真算例證明本文所提出拓?fù)涞募夹g(shù)可行性。
隨著化石能源的逐步枯竭及對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要，可再生能源的研究目前已引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-6]。高壓直流輸電技術(shù)（High VoltageDirect Current, HVDC）由于其線纜造價(jià)低廉，節(jié)省輸電走廊，傳輸效率高等優(yōu)勢(shì)，是可再生能源遠(yuǎn)距離外送的最佳選擇[7-11]。
在多種可再生能源直流并網(wǎng)方式選擇中，直流集群技術(shù)及其兩級(jí)升壓并網(wǎng)模式由于其設(shè)計(jì)難度較低、具備直流故障穿越能力、可靠性更高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是一種有效的方 式[11-16]。由于風(fēng)力發(fā)電、光伏電池等可再生能源的輸出電壓往往很低，所以在其并網(wǎng)過(guò)程中常常會(huì)使用高增益DC-DC變壓器[17-21]。
已有文獻(xiàn)提到，在新能源經(jīng)兩級(jí)直流升壓技術(shù)中升壓變壓器所需電壓比可高達(dá)40[14]。而目前所提出的技術(shù)較為成熟的直流-直流變壓器，大部分電壓比只能達(dá)到10左右[20]。盡管常見的雙有源橋（Dual ActiveBridge, DAB）結(jié)構(gòu)的直流-直流變壓器可以通過(guò)多個(gè)子模塊的串并聯(lián)達(dá)到相對(duì)較高的電壓比，但由于均壓均流等問題難以解決，DAB結(jié)構(gòu)的直流-直流變壓器在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)40左右的電壓比[21]。
文獻(xiàn)[22,23]提出了一種諧振式LCL（inductor-capacitor-inductor）的直流-直流變壓器，具備體積小、質(zhì)量輕、傳輸效率高，且可穿越直流故障等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被證明可以在不借助交流變壓器的情況下實(shí)現(xiàn)10倍左右的電壓比。
為了實(shí)現(xiàn)直流集群并網(wǎng)技術(shù)中所需的高電壓變比及對(duì)于換流器容量重量的需求，本文結(jié)合LCL直流-直流變壓器以及傳統(tǒng)交流變壓器的優(yōu)點(diǎn)，提出一種名為L(zhǎng)C-ACtransformer（LCT）型的直流-直流變壓器。該變壓器首先通過(guò)LC（inductor-capacitor）電路實(shí)現(xiàn)第一級(jí)升壓，然后通過(guò)交流變壓器進(jìn)一步提升輸出電壓，通過(guò)兩級(jí)升壓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)1∶40的電壓比，并且具有低體積、輕質(zhì)量、可隔離直流故障等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 單向LCT型直流-直流換流器拓?fù)?/span>
結(jié)論
本文介紹了一種電壓比可達(dá)40倍的新型直流-直流變壓器拓?fù)?，十分適合風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源的直流并網(wǎng)應(yīng)用，在未來(lái)中壓、高壓直流發(fā)展中具有一定研究?jī)r(jià)值。從文中理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：
1）本文通過(guò)數(shù)學(xué)驗(yàn)證推導(dǎo)出了拓?fù)湓O(shè)計(jì)公式，通過(guò)合理設(shè)計(jì)的LCT型直流變壓器可實(shí)現(xiàn)特定直流系統(tǒng)間高電壓比。
2）該LCT型直流變壓器交流鏈路工作在中高頻，使得變壓器整體體積小及質(zhì)量輕。
3）該LCT型直流變壓器具有良好功率可控性。
4）該變壓器的效率估算為97%，相較于其他已知的直流-直流變壓器拓?fù)洌湫瘦^高，尤其考慮到LCT型變壓器應(yīng)用場(chǎng)合及高電壓比。
該變壓器首先通過(guò)電壓源型換流器（VSC）將直流穩(wěn)壓電源電壓逆變成交流電壓，利用電感電容（LC）電路取得第一級(jí)升壓。然后，LC電路輸出的電壓將會(huì)通過(guò)交流變壓器得到進(jìn)一步升高，從而通過(guò)兩級(jí)升壓實(shí)現(xiàn)40倍左右高電壓比。最后，利用二極管電路將交流電壓整流得到直流穩(wěn)壓電源電壓。
本文首先闡述了LCTDC-DC的參數(shù)設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)提出了一種有效的有功功率控制策略，研究拓?fù)涞钠骷x擇及其運(yùn)行損耗估算。最后通過(guò)在PSCAD/EMTDC下搭建的LCT DC-DC仿真算例證明本文所提出拓?fù)涞募夹g(shù)可行性。
隨著化石能源的逐步枯竭及對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要，可再生能源的研究目前已引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-6]。高壓直流輸電技術(shù)（High VoltageDirect Current, HVDC）由于其線纜造價(jià)低廉，節(jié)省輸電走廊，傳輸效率高等優(yōu)勢(shì)，是可再生能源遠(yuǎn)距離外送的最佳選擇[7-11]。
在多種可再生能源直流并網(wǎng)方式選擇中，直流集群技術(shù)及其兩級(jí)升壓并網(wǎng)模式由于其設(shè)計(jì)難度較低、具備直流故障穿越能力、可靠性更高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是一種有效的方 式[11-16]。由于風(fēng)力發(fā)電、光伏電池等可再生能源的輸出電壓往往很低，所以在其并網(wǎng)過(guò)程中常常會(huì)使用高增益DC-DC變壓器[17-21]。
已有文獻(xiàn)提到，在新能源經(jīng)兩級(jí)直流升壓技術(shù)中升壓變壓器所需電壓比可高達(dá)40[14]。而目前所提出的技術(shù)較為成熟的直流-直流變壓器，大部分電壓比只能達(dá)到10左右[20]。盡管常見的雙有源橋（Dual ActiveBridge, DAB）結(jié)構(gòu)的直流-直流變壓器可以通過(guò)多個(gè)子模塊的串并聯(lián)達(dá)到相對(duì)較高的電壓比，但由于均壓均流等問題難以解決，DAB結(jié)構(gòu)的直流-直流變壓器在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)40左右的電壓比[21]。
文獻(xiàn)[22,23]提出了一種諧振式LCL（inductor-capacitor-inductor）的直流-直流變壓器，具備體積小、質(zhì)量輕、傳輸效率高，且可穿越直流故障等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被證明可以在不借助交流變壓器的情況下實(shí)現(xiàn)10倍左右的電壓比。
為了實(shí)現(xiàn)直流集群并網(wǎng)技術(shù)中所需的高電壓變比及對(duì)于換流器容量重量的需求，本文結(jié)合LCL直流-直流變壓器以及傳統(tǒng)交流變壓器的優(yōu)點(diǎn)，提出一種名為L(zhǎng)C-ACtransformer（LCT）型的直流-直流變壓器。該變壓器首先通過(guò)LC（inductor-capacitor）電路實(shí)現(xiàn)第一級(jí)升壓，然后通過(guò)交流變壓器進(jìn)一步提升輸出電壓，通過(guò)兩級(jí)升壓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)1∶40的電壓比，并且具有低體積、輕質(zhì)量、可隔離直流故障等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 單向LCT型直流-直流換流器拓?fù)?/span>
結(jié)論
本文介紹了一種電壓比可達(dá)40倍的新型直流-直流變壓器拓?fù)?，十分適合風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源的直流并網(wǎng)應(yīng)用，在未來(lái)中壓、高壓直流發(fā)展中具有一定研究?jī)r(jià)值。從文中理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：
1）本文通過(guò)數(shù)學(xué)驗(yàn)證推導(dǎo)出了拓?fù)湓O(shè)計(jì)公式，通過(guò)合理設(shè)計(jì)的LCT型直流變壓器可實(shí)現(xiàn)特定直流系統(tǒng)間高電壓比。
2）該LCT型直流變壓器交流鏈路工作在中高頻，使得變壓器整體體積小及質(zhì)量輕。
3）該LCT型直流變壓器具有良好功率可控性。
4）該變壓器的效率估算為97%，相較于其他已知的直流-直流變壓器拓?fù)洌湫瘦^高，尤其考慮到LCT型變壓器應(yīng)用場(chǎng)合及高電壓比。
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