基于分级控制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

子模块电容电压的平衡关乎模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)能否安全稳定工作。根据MMC结构特点,将MMC电容电压的平衡划分为相间电容电压平衡和相内电容电压平衡2部分,并基于此划分提出一种基于分级控制的MMC子模块电容电压平衡方法：首先分析MMC相间电容电压平衡控制,在对MMC各相子模块电容电压平均值进行独立控制的基础上,实现相间电容电压平衡;然后,分析MMC子模块电容电压波动规律,通过对各桥臂调制波叠加平衡控制量,实现单相内部上、下桥臂间电容电压平衡和桥臂内子模块间电容电压平衡;最后,对所提控制策略在PSCAD/EMTDC软件中进行仿真验证。仿真结果表明该方法正确、有效,有利于MMC的电压稳定和安全运行。     

新型MMC电容电压均衡控制策略研究

在模块化多电平变换器(MMC)中,大量悬浮电容的电压平衡控制是保证系统稳定可靠工作的前提条件。提出了基于载波层叠(CD)PWM技术的选择性循环虚拟映射(VLM)电压平衡控制策略,以解决传统CD-PWM技术中MMC子模块开关频率不一致的问题;建立虚拟子模块与实际子模块之间的选择性VLM关系,无需所有子模块排序操作。实验结果表明,采用所提出的电压均衡控制策略能在较低开关频率下,实现了MMC各功率单元间有功能量的平均分配和直流电容电压的均衡。     

模块化多电平换流器电容电压的分布式均衡控制方法

子模块电容电压的均衡控制是模块化多电平换流器(MMC)的关键问题,通常的做法是在中心控制器通过排序法或附加控制量法集中实现电容电压的均衡控制,当级联的子模块数目巨大时,中心控制器存在占用计算资源过多甚至难以实现的问题。提出一种MMC子模块电容电压的分布式均衡控制方法,将电容电压的均衡控制环分散到各子模块控制器中实现,每个子模块控制器仅需要完成自身电容电压追踪桥臂电容电压平均值的控制,均衡控制环简单且占用计算资源小,当级联的子模块数目大幅增加时,中心控制器的计算资源变化较小。通过对基于MMC的双端柔性直流输电系统的RT-LAB仿真结果和物理试验结果验证了所提出的分布式均衡控制方法的正确性和有效性。     

基于载波层叠的MMC调制和电容电压控制研究

基于MMC直流侧电容之间电压不平衡问题,对MMC调制技术和均压控制方法展开研究。在分析了传统调制策略基本原理与电容电压平衡方法基础上,发现现有方法存在执行时间长、复杂程度较高等问题。基于PD-PWM技术提出简化的控制均压策略,该策略优点为简化了MMC子模块数量的计算操作,触发信号可直接提供给子模块,使MMC的均压控制更加快速有效。在Matlab/Simulink环境下搭建了MMC 9电平模型,仿真结果验证了该策略的有效性,较好地实现了输出电压控制和电容电压均衡。     

基于能量分析的MMC-STATCOM电容电压三级平衡控制

为实现模块化多电平变流器(MMC)作为电网静止同步补偿器(STATCOM)进行无功补偿的目的,同时满足各模块电容电压平衡的要求,可以采用三级能量平衡控制策略。首先对MMC中相与相之间、上桥臂与下桥臂之间、子模块与子模块之间能量变换和转移机理及特性进行了深入分析。详细探讨了影响MMC能量平衡的决定因素;又采用了基于准PR控制器的二倍频环流抑制策略抑制环流;在此基础上,借鉴了三级能量平衡控制策略,实现了电容电压的平衡控制。仿真结果表明:通过对MMC内部能量平衡控制,能够减缓系统遭受相间负载不平衡大扰动后的电容电压波动,从而避免由于三相不平衡所引起的STATCOM脱网运行事故。采用所提的电容电压平衡控制策略可以有效提高MMC-STATCOM的安全稳定运行能力。     

模块化多电平换流器的载波层叠脉宽调制策略分析与改进

采用载波层叠脉宽调制(PWM)策略时,模块化多电平换流器(MMC)的各子模块投入时间和开关频率差异大,导致各子模块直流侧电容电压出现严重不均衡以及开关管损耗和发热情况不一致,致使系统无法正常运行。文中在研究载波层叠PWM策略原理及其在MMC中应用问题的基础上,对其实现过程进行了改进,将多列载波按一定周期进行轮换以控制MMC各子模块。仿真结果表明,采用载波轮换层叠PWM策略后,各子模块平均投入时间以及开关管开关频率可达到一致,子模块电容电压即使没有采取专门闭环控制也可以实现平衡,从而系统整体控制算法得以简化。     

模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的平衡控制分为子模块电容电压均衡和上下桥臂间能量平衡2个部分。分析了子模块电容电压不平衡的原因,并将不平衡分为2类,并引入了虚拟子模块和映射的概念。针对第1种不平衡提出了虚拟循环映射的子模块平衡策略;针对第2种不平衡提出了选择性循环映射的子模块平衡策略,并在此基础上进一步引入了换位裕度的概念,降低了开关频率。此外,还设计了桥臂平衡控制器,保持了桥臂间能量的平衡。最后搭建了三相五电平MMC实验平台,实验结果验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平换流器闭环均压策略研究

模块化多电平换流器(MMC)以其模块化结构、易于扩展及无需变压器等优点成为近年来的研究热点.子模块电容电压的稳定对MMC稳定运行至关重要,然而MMC各子模块电容电压均衡是MMC的难点.这里介绍了一种基于环流控制桥臂总能量和上下桥臂均衡能量的闭环均压控制方案.通过桥臂总能量控制器和能量均衡控制器来均衡子模块电容电压,确保子模块电容电压处于相同变化范围,保证MMC稳定运行.基于该策略搭建了单相五电平Matlab仿真和实验平台.实验和仿真结果验证了所述闭环均压策略的有效性.     

适用于实时仿真的MMC子模块电容电压优化均衡方法

针对并行全比较算法存在的高空间复杂度问题,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)实时仿真的电容电压均衡优化方法。在子模块电容电压的排序方面,采用分组排序的均压策略,组内子模块采用并行全比较算法以减少排序时间,组间子模块根据所定义的能量平衡因子计算结果来平衡其电容电压值。此外,提出一种子模块电容电压值重构方法处理含相同电容电压值的子模块排序问题。在触发脉冲产生方面,提出一种串、并行触发结合的混合触发模式,将触发脉冲产生环节消耗的时间与MMC各桥臂子模块总数解耦。在PSCAD/EMTDC仿真程序和低功率MMC物理样机平台的阀级控制器中验证了所提MMC子模块电容电压优化均衡方法的逻辑有效性和工程实用性,证明了所提方法在保证低时间复杂度的同时,其空间复杂度亦有所降低。     

二极管钳位型MMC电路的均压控制策略

为解决传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)均压系统中直流电压传感器较多、控制电路复杂的问题,将二极管钳位拓扑应用到MMC中,并提出了适用于该拓扑的电容电压均衡控制方法。该拓扑通过在各子模块电容正极加装钳位二极管,为直流电容提供单向钳位通路,从而实现MMC各桥臂子模块电容电压从上到下依次减小,简化了系统电路及其控制方法。最后,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了11电平二极管钳位型M M C拓扑仿真模型,结果表明该拓扑具有电容电压自排序功能,电容电压均衡效果良好。     

具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块：移位全桥子模块（OCFBSM）。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。     

基于二次谐波环流注入方法的混合MMC电容电压平衡控制策略

当高压直流输电系统直流侧电压降低时,混合模块化多电平变换器(MMC)将工作在过调制状态,面临电容电压不平衡的问题.分析过调制状态下混合MMC中半桥与全桥子模块电容充放电过程与能量变化,提出一种简化的二次谐波环流参考幅值的生成方法.采用二次谐波环流注入方法避免混合MMC中半桥与全桥子模块电容电压不平衡的发生,实现半桥与全桥子模块电容在一个周期内的充放电平衡,使混合MMC在直流电压降低时继续传输有功功率.仿真与实验结果表明,所提出的二次谐波环流注入方法能够有效实现混合MMC在过调制状态下的电容电压平衡.     

模块化多电平换流器的子模块电容电压分层均压控制法

为了提高高电平模块化多电平换流器(MMC)均压控制的排序速率和降低换流器的开关损耗,提出了一种适用于高电平MMC的子模块电容电压分层均压控制法。首先,根据桥臂电容电压最值确定电压分层容器,并根据排序的计算复杂度和均压控制效果对分层数进行讨论;然后,根据电容电压大小将子模块放入对应的分层容器,根据桥臂需投子模块个数和桥臂电流方向进行优化排序,确定各子模块的投切;最后,引入容器重新划分判据以减少计算量,即如果任一一个投入子模块的电容电压变化值小于容器的电压间隔,则不重新分层。PSCAD/EMTDC中21电平MMC系统的仿真结果表明,提出的均压控制法能够提高均压控制排序的速率和减少不必要的容器内排序,同时降低绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关损耗。     

一种减少电压互感器的模块化多电平换流器分组控制策略

针对模块化多电平换流器(MMC)需要配置大量电压互感器的问题,提出一种减少电压互感器的分组控制策略。该控制策略将每个桥臂的2N个子模块按照2~0,2~1,2~2,…,2~(N-1),2~0分成N+1个子模块组。将每组的子模块作为一个整体,开关状态保持一致,并且配备一个电压互感器,用于测量每组的电容电压。根据这种结构设计相应的电容电压平衡控制方法、均压控制方法和调制方法。电容电压平衡控制采用PI调节器稳定各组子模块的电容电压;均压控制用来保持组间子模块电压平均值均衡;调制方法用来确定各个模块组的通断状态。该分组方法极大地减少了电压互感器的数量,降低MMC系统的造价。最后通过在Matlab/Simulink平台上搭建三十三电平的三相MMC仿真模型进行证明,并搭建九电平单相MMC实验平台,进行实验验证,结果表明了该分组控制策略的有效性。     

基于模组解耦控制的高调制比混合型MMC电容优化方法

高调制比混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)子模块电容的均压控制方法借鉴半桥型MMC,全桥及半桥子模块电容的充放电行为存在强耦合,导致半桥子模块电容电压波动率较小,给电容值的优化带来挑战。为此,文中首先计算高调制比下两类子模块的电容电压波动率,以明确半桥子模块电容值的优化空间。进一步,提出全桥及半桥模组平均开关函数的设计原则,考虑子模块电容电压瞬时最大值的约束,实现半桥子模块电容值的优化。然后,在现有MMC基本控制框架下,提出基于模组解耦的控制策略,实现电容电压动态的准确控制。最后,在MATLAB/Simulink中搭建混合型MMC的仿真模型,对所提电容优化方法进行验证。仿真结果表明:所提电容优化方法不仅可以实现对全桥及半桥子模块电容电压直流分量和纹波分量的控制,还可降低半桥子模块电容值。     

基于改进快速排序算法的MMC均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于其自身具有输出电平数高、开关频率低、波形质量好等优势而被广泛研究和使用。子模块电容的电压均衡问题是MMC的重点研究方向之一。传统均压方法随着子模块数目增加,将极大增加开关元件频率损耗和控制器运算量。该文提出了一种基于改进快速排序算法的均压策略,通过实时监测子模块电容电压,设置子模块电压间的离散度指标,继而控制排序模块的开通和保持。同时,通过排序算法的优化,使控制器在多模块时计算效率大大增加,降低硬件要求。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建MMC-HVDC模型进行仿真验证。仿真结果表明,改进的均压控制方法能够在维持系统特性相对均衡的同时,有效提高运行速度,降低子模块开关频率。     

特高压柔性直流阀组投入过程中混合型MMC启动充电策略

在基于两个阀组串联构成一极的特高压柔性直流输电系统主接线方案中,为了实现混合型模块化多电平换流器(MMC)阀组的在线投入并简化其操作流程,混合型MMC需具备在直流侧短接情况下完成启动充电的能力。首先分析了直流侧短接时混合型MMC在不控充电阶段的工作原理,发现该阶段所有半桥子模块始终处于旁路状态,其自取能电源无法启动。为解决这一问题,提出了一种基于负向电流支路部分子模块切出的可控充电控制策略。该方法不仅可保证半桥子模块电容能够串入回路中进行充电,而且可维持子模块间的电压均衡,并最终将其电容充电到额定电压附近。最后,在仿真模型以及实验样机上验证了所提策略的有效性以及性能分析的正确性。