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5、仿真验证
本文提出的直接耦合式直流变压器适用于直流电网不同直流电压源互联,直流电压等级一般为几十到几百千伏。为分析直流变压器的开关特性,本文基于Matlab/Simulink平台搭建了器件级仿真模型,而考虑到使用大量的子模块会极大增加运算的复杂度,这里对直流变压器的参数进行等比例减小,具体仿真参数见表1。其中,链式模块1和2均采用4个半桥型子模块串联。
图10给出了稳态运行波形,图中uC1(1)—uC1(4)和uC2(1)—uC2(4)分别为链式模块1和2中子模块电容电压。从图10可以看到,链式模块1和2输出电压的波形均为阶梯波准两电平调制,因此其du/dt可显著减小;从子模块电容电压波形可以看到,虽然采用了较小的电容(1mF),输出滤波电感电流i3达到1kA,但子模块电容电压波动范围为±50V,这验证了3.1节分析的正确性;从图中可以看到i1和i2的最小值均接近0,因此与正弦波调制相比,两电平调制下直流变压器的交流环流更小,损耗也更小。
表1 仿真参数
图10 稳态波形
图11 动态波形
图12直流故障响应
图11给出了功率突变情况下,直流变压器的动态波形。在0.6s时直流变压器负载功率从2.5MW跳变到5MW。可以看到,输出电流i3从0.5kA动态调节到1kA,同时输出电压和子模块电容电压经过0.3s左右恢复到稳态值。因此,直流变压器能较好地满足动态要求。
根据3.4节的分析,本文提出的直流变压器具有直流故障隔离能力。图12给出了Udc1侧线路发生极间直流短路故障时,直流变压器的响应曲线。由式(42)可知,为了隔离直流故障,链式模块1须包含3个全桥型子模块。初始时,直流变压器工作在稳定状态,在t=0.1s时,Udc1侧线路发生极间直流短路故障,电压迅速下降为0,同时故障电流i1迅速上升,其中故障电流上升率为8A/μs。若直流故障检测时间tdf=300μs,故障电流的峰值达到1.4kA。直流变压器检测到故障之后,立即改变链式模块的输出电压,使链式模块1输出负电压,链式模块2输出零电压,因此i1和i3同时下降。由于滤波电感Lf远大于桥臂电感La,i3的下降速率远小于i1的下降速率。直流变压器最终在t=0.11s时隔离了直流故障。
6、结论
本文提出了一种适用于直流电网互联的直接耦合式直流变压器拓扑,并提出了一种阶梯波准两电平调制策略。本文提出的直接耦合式直流变压器具有以下优势:1)不需要交流变压器,可大幅降低变换器的成本与损耗;2)采用阶梯波准两电平调制,该调制策略能实现子模块电容电压平衡,同时显著降低链式模块输出电压的du/dt,减小电磁干扰;3)每个子模块一个周期内只投入和切除一次,因此开关频率相比正弦波调制直流变压器更低;4)交流环流小,开关管的导通损耗和开关损耗小;5)所需的子模块电容容值相比正弦波调制直流变压器更小,可有效降低子模块的体积和成本。
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