面向中高压电网应用的波形合成型双向AC/DC变流器基础理论研究

Hybrid-AC-and-DC transmission and distribution is a key development trend for future smart grid.As the interface between AC and DC systems, the converter functions as power conversion, power flow controller,grid-fault isolator,and etc. However, currently only two types of converters are put into use: one type is thyristor valve with inherent commutation failure issue; other type is voltage-control-source HVDC having several defects such as high losses, small capacity and large quantity of modules. Aiming at above mentioned issues, the proposal proposes a new bidirectional AC/DC conversion technology based on synthesizing step waveform and its harmonics: converting all the electric power through a step-waveform converter by using line switch frequency to achieve high conversion efficiency; realizing sine waveform synthesizing and power flow control by utilizing small capacity converter to compensate harmonics and generate Var. Therefore, the proposal focuses four key issues of the proposed converter and puts forward corresponding approaches to deal with these issues：（1）Optimization approaches for the key parameters of the proposed topology;(2)Active and reactive power control strategy for the converter;(3) Voltage balance approaches for the DC link capacitors;(4)Control and operation scheme under grid-fault conditions; Through the exploration of the proposed converter, we plan to extend the basic theory of AC/DC conversion, derive more topologies for HVDC applications, as well as offer a brand-new solution to medium-and-high HVDC system featuring simple architecture, high conversion efficiency,high reliability and low cost.

交直流混合电网是未来智能电网一个重要特点，作为交直流接口的变流器承担着交直流的联接、潮流控制和故障隔离等多重任务。然而目前只有两类变流器：一类是晶闸管换流阀,存在换流失败风险；另一类是电压型变流器，损耗大、容量小、设备组件多等缺点。针对上述问题，本申请项目提出了一种基于阶梯波和谐波合成的双向AC/DC变换技术：利用工频开关的多电平变换器产生阶梯波，传递全部能量，实现高效变换；利用小容量高频变换器产生谐波和无功，实现正弦波形合成和潮流控制。本申请项目针对该变换技术中最为关键的问题展开研究：(1)变流器关键参数的优化；(2)阶梯波和谐波变换器间协调及潮流控制策略；(3)直流母线分压电容平衡控制；(4)交流电网故障下的运行和控制。通过本申请项目的探索，将进一步拓展和丰富交直流变换基础理论，为中高压系统提供一种结构简单、效率高、可靠性高和成本低的变流器技术方案。

本项目围绕适用于高压的AC/DC变换器基本理论展开研究，在级联H桥变换器的相间及模块均压、谐波快速提取、变换器故障诊断以及半实物快速仿真等方面取得了相应的研究进展。.本研究从级联H桥变流器入手，通过建立在dq坐标系下的均压静态方程，揭示了级联H桥变换器的相间均匀自稳定特性，从理论上证明了级联H桥变换器的模块单元在不做任何均压措施也能实现自稳定以及三相相间相互之间的功率传递和平衡方式，三相相间直流电压能平衡在各自的相电压点。在此基础上，继续探索负序、零序和变直流母线的均匀控制策略，以及负序电流补偿对均压的影响。.为了快速提取谐波，本研究根据DFT的基本原理出发，采用传递函数的方式来分析和刻画谐波提出机理，提出了一种广义DFT的方法，实现特定次谐波的快速提取。利用本研究提出的广义DFT可快速提取特定次谐波，如6n±1次谐波，对于50Hz基频信号能在6.7ms之内完成谐波的提取。该研究成果具有重要的科学和实际应用价值，其科学意义在于给出了一般形式的傅里叶变换，摒弃了原来谐波提取需要整个工频周期的信息。在实际工程应用中有着非常重要的应用前景，特别对于谐波补偿装置，快速谐波提取提高了谐波补偿动态性能、特别对于负载快速变化的应用场合，有显著性能提升效果。.针对电力电子实时仿真系统开放性差，仿真容量和接口数量也受限，以及仿真步长长等缺点，本研究提出了一种基于多现场可编程门阵列（FPGA）的实时仿真系统的实现架构，以多片FPGA作为并行核心运算单元，有效增加仿真容量和缩短仿真步长。针对级联H桥变换器电路拓扑，提出一种全FPGA高精度低成本实时仿真系统，为了减小步长提高仿真精度，提出了一种改进开关函数法，简化仿真模型，减少仿真计算量，大容量级联H桥变流器仿真补偿减少到0.8us，显著提高仿真进度。 .本项目研究成果发表SCI论文5篇，EI重要核心期刊4篇，授权专利1项，获教育部自然科学二等奖1项，国防科技进步三等奖1项。培养博士生3名，硕士生6名。