【摘 要】
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随着海上风电逐渐向着远距离、大容量趋势发展,基于中压直流汇集、高压直流送出的并网方案优势愈加明显,其中,连接中压直流母线和高压直流母线的高压大容量DC-DC变换器是核心装备。考虑到海上风电场的建设成本,海上平台的体积和重量要尽可能小,另外海上的高运维成本使得系统的可靠性和故障保护性能尤为重要。因此,上述高压大容量DC-DC变换器需要满足如下要求:高升压比、高功率密度、高可靠性以及具备故障保护能力。
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目:《基于能量存储原理的高压大容量直流-直流变换拓扑及其控制技术研究》（51807033）
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随着海上风电逐渐向着远距离、大容量趋势发展,基于中压直流汇集、高压直流送出的并网方案优势愈加明显,其中,连接中压直流母线和高压直流母线的高压大容量DC-DC变换器是核心装备。考虑到海上风电场的建设成本,海上平台的体积和重量要尽可能小,另外海上的高运维成本使得系统的可靠性和故障保护性能尤为重要。因此,上述高压大容量DC-DC变换器需要满足如下要求:高升压比、高功率密度、高可靠性以及具备故障保护能力。本文首先提出了一种满足上述要求的高升压比模块化DC-DC变换器（High step-up ratio modular DC-DC converter,HSRM-DC）,利用子模块电容作为两直流端口间能量传输的媒介,实现能量由中压直流端口向高压直流端口的传输,且具有高升压比、高设备利用率、体积小、成本低等特点。另外,本文对HSRM-DC电路拓扑的关键参数进行了设计,并提出了相应的控制策略,以保证HSRM-DC的平稳运行。为提高HSRM-DC自身的工作可靠性,本文详细分析了拓扑内部晶闸管故障的特性,进而设计了故障穿越方法,保证故障期间功率传输不中断,同时本文对故障穿越阶段的故障电流及子模块电容电压波动进行了计算,以保证HSRM-DC的平稳故障穿越。在确保HSRM-DC自身工作可靠性的基础上,本文针对其外部直流短路故障展开研究。通过建立短路故障阶段的等效模型,利用状态变量法对等效电路进行求解得到了故障电流和电容电压的解析表达式,并设计了相应的故障保护方法,实现了HSRM-DC外部直流短路故障保护。本文基于理论分析设计了仿真模型参数和实验样机参数,搭建了端口电压为35k V/250k V,功率为100MW的仿真模型和端口电压为120V/480V,功率为2400W的实验样机,分别对HSRM-DC的稳态运行工况、内部晶闸管故障工况以及外部直流短路故障工况进行了仿真和实验验证,仿真和实验结果均与相应的理论分析一致。
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