无互联模块化非对称双向高频直流变换器基础研究

Series-parallel combination system consisting of multiple converter modules is an attractive solution for highvoltage and high power applications. The equilibrium between the constituent modules must be ensured for the proper operation of the combination system. However, the existing equilibrium control strategies have the shortages of lower modularity, lower system expandability and reliability, moreover, there is little literature concerning how to keep equilibrium between the constituent modules at no-load condition. Combining with the emerging technology need of asymmetrical bidirectional power transmission, a new idea is proposed in the project, in which asymmetric bidirectional converter is taken as basic module and multiple modules connected in series or parallel at the low-voltage sides (LVS) and high-voltage sides (HVS) are controlled without interconnection. In the project, a voltage sharing control strategy without interconnection among constituent modules is proposed based on voltage virtual upward method and a scheme for the equilibrium between the constituent modules at no-load condition based on energy transfer is proposed. For the basic module, the topology construction mechanism of the asymmetric bidirectional converter and topology classification, choice and optimization rules are presented. The project will lay a solid foundation for realizing modularity and improving the reliability of the Series-parallel combination system, and meanwhile, is of important theoretical significance and practical value.

多变换器模块化组合系统在高压大功率场合有广阔的应用前景，保证各变换器模块均衡（均压/均流）是系统可靠运行的关键。现有均衡控制技术都有模块化程度不高、系统可扩展性和可靠性较低等问题，此外，空载情况下如何保证各变换器模块均衡工作很少受到关注；结合新兴的功率需要非对称双向传输的技术需求，本项目提出一种以功率非对称双向传输变换器为基本模块，采用无互联分布式控制对多个变换器模块进行集成的新思想。本项目拟提出一种基于输出电压虚拟"上翘"特性的无互联均压控制策略；提出基于模块间能量转移思想的空载模块均衡工作方案；同时将阐明非对称双向直流变换器拓扑的物理构造机理以及建立拓扑分类、筛选和优化准则等。该项目的研究将为提高模块化组合系统可靠性以及真正实现系统模块化奠定基础，具有重要的理论研究意义和应用价值。

风力发电是当今世界发展最快的新能源利用形式之一。海上风力发电采用基于中压直流汇集的高压直流输电将成为必然发展趋势。为解决海上风电系统中高压大功率直流变换器启动问题以及实现系统高功率密度、高可靠性和低成本，本项目提出并研究一种以功率非对称双向传输变换器为基本模块，采用无互联分布式控制对多个变换器模块进行集成的高频直流变换系统新思想。.本项目主要研究内容分为两大部分，一是研究非对称双向直流变换器，包括探索适合于功率非对称双向传输的直流变换器拓扑构造方法、研究多种拓扑的等效工作模态、原理和特性、获得一族优化实用的非对称双向直流变换器拓扑等；二是研究直流变换器模块化系统的无互联控制技术，包括研究各模块低压侧与高压侧均压/均流的关系，研究串联均压与并联均流技术的内在联系，提出全新的多变换器模块化无互联串联均压控制策略。.针对上述研究内容，本项目提出了增加开关管和切换开关的两种方案，对传统的直流变换器和适用于高压大功率的多直流变换器模块组合系统都可进行改造，使其适用于能量非对称双向传输场合。针对现有多直流变换器模块组合系统控制策略连接线较多、可靠性较低的问题，在分析串联均压和并联均流的内在联系基础上，借鉴并联下垂均流特性法，本项目提出了ISOP系统和ISOS系统的输出电压上翘特性法，很好的解决了直流变换器模块组合系统的可靠性和稳定工作问题，均压误差在3%以内。.本项目所提出的“无互联模块化非对称双向高频直流变换器”充分考虑了海上风电特殊性，可显著提高系统可靠性，优化系统效率，降低系统成本，具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。