模块化多电平换流器改进型子模块拓扑仿真研究

针对模块化多电平换流器高压应用和高电平输出时子模块数量过多问题,研究了堆叠式两电平和多电平输出子模块拓扑特点。在总结不同改进类型子模块拓扑特点基础上,定性比较了各种拓扑在直流侧短路故障时所具有的故障电流抑制能力差异性。针对串联双子模块拓扑,设计了基于全控和半控整流方式的混合充电策略。以改进型拓扑为例,在PSCAD/EMTDC 中搭建了两端有源MMC-HVDC 系统,对不同子模块拓扑的直流侧故障抑制特性以及串联双子模块拓扑启动策略的有效性进行了分析验证。     

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块（半桥、全桥结构子模块）的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25％的IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在PSCAD仿真环境中搭建基于NLM的11电平两端MMC—HVDC输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。     

模块化多电平换流器子模块电容电压平衡改进控制方法

为减少子模块开关动作次数和换流器损耗,提出了一种模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的子模块电容电压平衡改进控制方法。采用最近电平调制方式,每个控制周期内按电容电压大小对处于投入状态和切出状态的2组子模块分别进行排序;根据需要投入的子模块数量和当前处于投入状态的子模块数量,对投入和切出的子模块状态进行改变;根据设定的电容电压允许偏差值、可进行调换的子模块数量,对投入和切出的子模块进行对调。仿真算例结果验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平换流器改进拓扑结构及其应用

模块化多电平换流器(MMC)作为实现多电平换流器的一种新的拓扑结构,具有高度模块化、维护间隔长、输出波形谐波含量低等优点,因此在中高压电能变换和高压直流输电领域得到了广泛的应用和研究。而传统的半桥型子模块结构在直流侧发生故障的时候,由于所并联前向二级管原因,当IGBT闭锁时,不能够实现直流侧故障电流的阻断功能,从而对其应用带来了一定的不利影响。本文总结了现有的子模块拓扑结构的特点,通过分析MMC直流侧故障时桥臂电流与模块电容的充放电关系,对传统的半桥型子模块拓扑结构进行了改进,设计了串联双子模块闭锁拓扑结构,从而在不影响控制策略的基础上实现了直流侧故障电流阻断功能。最后以改进型拓扑结构为例,搭建了仿真模型,对直流侧故障特性以及相应的控制策略进行了分析验证。     

模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略

阐述了模块化多电平换流器(MMC)子模块故障类型,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块故障、直流电容故障和控制信号故障。分析比较了3种子模块冗余容错方案的优缺点,选择采用对MMC影响较小的子模块热备用的冗余容错方案。该方案的缺点是MMC运行于不对称状态,导致MMC直流电流出现波动。为此,在推导MMC冗余运行状态的基本数学模型、得出桥臂能量数学表达式的基础上,提出了基于桥臂能量平衡的冗余容错控制策略来抑制直流电流的波动。在时域仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了61电平MMC模型,仿真结果验证了提出的冗余容错控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析

新型模块化多电平换流器(MMC)在直流输电和电能变换领域得到了广泛的研究与应用。但是,由于子模块采用了半桥型拓扑,在直流侧线路故障时,MMC不具有直流故障自清除能力。文中在不改变现有MMC调制和均压策略的前提下,利用续流二极管反向阻断特性和桥臂模块电容充电效应,设计了改进复合拓扑结构,解决了半桥拓扑中电容单向充电问题。通过分析闭锁时储能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系,定义了反映子模块故障抑制能力的电流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同,设计了自励启动方法。仿真结果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。     

模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护

对模块化多电平换流器（MMC）的基本工作原理进行了阐述,分析了MMC中子模块的几种常见故障原因,指出了单个子模块故障会引发直流电压和直流电流的振荡,最终将导致换流器停运。对级联H桥多电平换流器几种常见的子模块故障冗余保护方案进行了比较,在此基础上提出了适合MMC的子模块故障冗余保护方法。该方法将少量冗余子模块置于热备用...     

降低模块化多电平换流器子模块电容值的控制方法

模块化多电平换流器(MMC)因必须对子模块电容电压波动范围进行限制,导致所需的子模块电容值较大,带来较大的成本和体积问题。提出了一种降低MMC所需电容容量的运行方式和参数设计方法。所提方法将子模块电容电压直流分量的实际运行值适当降低一定的比例,使电容电压波动的最大允许幅度增大,使选择较小的电容值成为可能。详细分析了所提方法的运行方式。为使所提出的降低电容容量的运行方式能够更好地实现,还提出了一种可以实现交流端口电流、直流端口电流和内部环流解耦控制的桥臂瞬时电流直接控制方法。通过这一方法可以直接控制换流器的内部环流分量,并能够动态调节各桥臂子模块电容电压。通过RT-LAB平台对所提出的运行方式进行了详细的仿真研究,验证了其可行性和有效性。     

一种能够阻断直流故障电流的新型子模块拓扑及混合型模块化多电平换流器

针对常规半桥型模块化多电平换流器无法隔离直流故障电流的问题,提出一种新型的应用于模块化多电平换流器的自阻型子模块拓扑,并列出自阻型子模块的4种结构。这4种类型的自阻型子模块在隔离直流故障电流时,需要同时闭锁IGBT的触发脉冲。为了降低触发同时性的要求,进一步提出无需同时闭锁IGBT触发脉冲的2种增强自阻型子模块拓扑。模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)的全部子模块采用增强型子模块时所使用的电力电子器件较多,为了进一步减少MMC中电力电子器件的数量,提出一种由增强型子模块和常规半桥子模块构成的混合型MMC。PSCAD/EMTDC下的仿真研究表明,所提出的自阻型子模块、增强型子模块及混合型换流器能有效隔离直流故障。相比于常规半桥型MMC,该混合型MMC仅需提高25%的IGBT即可具备隔离直流故障电流的功能,因此具有良好的工业应用价值。     

集成化的模块化多电平换流器功率模块设计与研制

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于模块化的设计使其能够方便的应用于各种高电压场合,并且能够在较低开关频率下输出正弦度很高的电压波形。本文以1000V/90k VA MMC型换流器的功率子模块研制为研究核心,围绕该换流器中子模块一次电路主要元件参数选择、控制系统设计开展相关研究工作,研制了由4个子模块构成的集成化功率模块;通过子模块控制系统功能验证、功率模块的功率脉冲和带载实验,证明本文所研制的功率模块达到设计预期,能够正常、可靠、稳定工作。     

MMC子模块电容电压检测新方法

传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块电容电压检测方法需要与子模块数相同的电压传感器,存在传感器数量大、采集信息工作量大的问题,提出了一种基于最近电平逼近调制MMC子模块电压检测的新方法,对桥臂子模块进行分组,每组采用一个电压传感器进行检测,通过检测电压对电容电压观测器的观测值进行校正,得到每个时刻电容电压值,提出提高电容电压复位校正次数的方法。针对硬件电压采样电路带宽限制影响桥臂输出阶梯波电压测量的问题,提出了子模块电压的补偿方法。仿真和实验结果表明所提出方法的正确性和有效性。     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

一种新型的n +1混合式模块化多电平换流器拓扑结构及其控制策略

针对中压应用场合,提出一种新型的n+1混合式模块化多电平换流器(HMMC)拓扑结构。在传统单桥臂n个子模块的模块化多电平换流器(MMC)基础上,加入1个全桥子模块,使其电容电压控制为半桥子模块的一半,实现输出电压电平数由原先的n+1增长至2n+3。针对其结构提出一种混合式调制方式,在保证HMMC稳定工作的基础上,降低HMMC子模块的工作开关损耗。由于全桥、半桥子模块电容电压不一致,采用一种电容预充电方式,并对子模块电容电压建立数学模型,提出一种子模块电容电压平衡的控制策略。在MATLAB/Simulink软件中搭建仿真模型,仿真结果验证了所提拓扑结构和控制策略的有效性和正确性。     

模块化多电平换流器的运行边界分析及提高运行稳定性的控制方法

在分析模块化多电平换流器(MMC)稳定运行应满足多种约束条件的基础上,推导了MMC的运行边界;以换流器向交流系统注入的有功功率、无功功率为指标,建立了用于描述换流器运行特性的P-Q功率域;分析了影响换流器运行边界的多种因素,并详细阐述了交流系统阻抗对换流器有功传输能力的影响;以增大换流器稳定运行范围为优化目标,提出了一种基于虚拟阻抗控制的优化方法。     

基于MMC拓扑的有源滤波器控制策略研究

为提高大容量有源滤波器(APF)的耐压水平和等效开关频率,提出了一种基于模块化多电平(MMC)的有源滤波器控制方法。该控制方法对APF输出的基波电流采用间接电流方式实现有功和无功的解耦控制,采用基于正序基波提取器的预测谐波电流控制实现对谐波电流的补偿,然后将间接电流方式和预测谐波电流控制方式产生的电压信号作为有APF输出电压的参考值。同时,为克服传统载波相移脉宽调制方式均压控制环节PI控制器繁多的缺点,对载波相移脉宽调制方式做了改进,采用载波相移脉宽调制和电容电压排序均压控制相结合的调制方式。通过Matlab/Simulink对其进行了仿真验证,该控制方法是正确可行的。     

模块化多电平换流器功率模块故障鲁棒检测

介绍了一种模块化多电平换流器功率模块的故障鲁棒检测方法。针对功率模块模型的不确定性,建立了故障检测的自适应阈值区间。分析了功率模块动态特性的等张性,利用顶点算法构造了不同不确定因素的响应轨迹区间,用所有不确定因素的响应轨迹曲线的上下外包络线形成故障检测的自适应阈值区间。该方法对所考虑的不确定因素具有鲁棒性,而对故障保持了敏感性,能有效降低故障检测的误报率和漏报率。仿真实验验证了该方法的有效性。     

模块化多电平换流器电容电压与环流的控制策略

电容电压控制和环流的抑制一直是模块化多电平换流器(MMC)拓扑研究很重要的一方面,也是制约该拓扑应用于柔性高压直流输电(HVDC)领域的瓶颈。分析了模块化多电平换流器电容电压波动以及环流偶次谐波产生的机理。在排序均压的载波移相调制(CPS-SPWM)策略的基础上,附加了电容电压均衡控制,以抑制电容电压的波动。同时介绍了一种闭环的谐振环流控制器,实现对环流交流成分的抑制。该控制策略结构简单,且适用于单相系统。仿真结果表明,采用上述的控制方法,电容电压的波动和环流都得到很好的抑制,动态结果也很好。     

MMC子模块电容电压改进控制方法的研究

介绍了模块化多电平换流器电容电压测量及均压原理,指出传统的电容电压控制下,当桥臂子模块数目过于庞大时,电压传输信号较多,增加了控制器设计难度。针对这一问题,提出了一种改进的电容电压测量方法,该方法中参与控制的电压信号数量仅为传统测量方法的一半,有利于降低控制系统的设计难度,减轻控制器工作负担。首先详细介绍了电容电压改进控制方法下的模块拓扑结构和电压测量原理,然后在此基础上,设计了改进电容电压排序算法,减少传统排序过程中不必要的运算量,在数据处理过程中进一步优化控制器运算,保证换流器稳定运行。最后搭建了仿真模型,验证所提策略的正确性和有效性。     

新型模块化多电平换流器的设计与应用

随着电力系统电压等级的不断升高,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)桥臂中串联的子模块数量增多,硬件成本升高,制约了其在直流输电系统中的发展.针对这些问题,通过分析多电平换流器和现有的阶调式模块化多电平变换器(Gradationally Controlled Modul...