一种MMC子模块电容ESR在线监测方法

模块化多电平变换器(MMC)子模块电容需要承受巨大的桥臂电流冲击,是系统中失效率最高的元件.等效串联电阻(ESR)是表征电容健康状态典型参数之一.通过对电容ESR进行监测,可对电容损耗、温升以及寿命进行估计,从而实现电容的预测性维护和替换,这对提升MMC系统电容的可靠性能有重要价值.在此基于MMC子模块电容电压的正负跳变特征,提出了电容ESR在线监测方法:通过检测子模块电容由于ESR存在导致的正负电压双跳变沿和流入子模块的桥臂电流计算出电容ESR;通过实验分析验证了所提方案的有效性.     

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。     

基于子模块电压分组检测的MMC子模块开路故障诊断定位方法

模块化多电平变流器(MMC)子模块数目较多时,系统结构复杂且发生故障概率较高。针对子模块的开路故障诊断问题,提出一种基于子模块电压分组检测的MMC子模块开路故障诊断定位方法。分析子模块故障特性,通过对比子模块组输出电压的预测值和实际值获得检测判据,根据检测判据诊断故障发生的子模块组及故障类型;改变子模块的工作状态,根据检测判据进行故障定位;定量分析分组检测时子模块电容电压的测量误差,为子模块电压分组提供依据。通过MATLAB/Simulink搭建49电平MMC仿真平台,在电容值偏移的情况下对不同类型的故障进行仿真,仿真结果表明,所提故障诊断定位方法能在减少电压传感器数量的情况下实现子模块开路故障诊断定位,提升系统的可靠性。     

模块化多电平变流器子模块电容老化状态在线监测及均衡策略

模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter, MMC)中电容老化程度高的子模块投切频率更大、损耗更高,危害子模块的安全运行。针对这个问题提出一种用于MMC的电容老化状态在线监测及均衡策略。通过电容电压变化与电容值的关系对电容老化状态进行在线监测,测量子模块电容间的相对值;根据测量的结果,在排序中引入虚拟电容电压,降低老化严重子模块的开关频率,延缓电容的使用寿命;仿真结果表明文中所提策略能够在不影响电容电压平衡的前提下有效降低老化严重子模块的开关频率,而且不用对子模块单独加装额外传感设备、不使用复杂算法,适用于子模块较多的场合。     

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。     

基于三次谐波电压注入的扩展混合型MMC运行区域的控制方法

针对低直流电压运行工况下混合型MMC全桥子模块及半桥子模块电容电压不均衡问题,提出了一种基于三次谐波电压注入的改善方法。首先,回顾了子模块电容电压不均衡问题机理,计算出子模块电容电压不均衡问题发生的边界条件以及混合型MMC安全运行区域。然后,定量分析三次谐波电压幅值及初始相位对电容电压的影响规律,并计算出三次谐波电压注入对混合型MMC的运行区域的扩充效果。最后,基于Matlab/Simulink建立了双端仿真模型,验证了所提方法的有效性。     

不平衡网压下MMC子模块电压波动抑制策略

针对不平衡网压下模块化多电平换流器(MMC)子模块电容电压波动问题,提出一种注入共模电压与环流的MMC子模块电压波动抑制策略。首先通过注入共模电压使系统工作在较高调制比状态,然后根据半桥子模块MMC的数学模型推导出注入共模电压后的桥臂功率解析式,从而减小桥臂功率波动,实现注入共模电压与环流的MMC子模块电压波动抑制。最后通过搭建的17电平MMC实验平台对所提策略进行有效验证,实验结果显示该策略可有效减少子模块电容电压波动幅值。     

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。     

大幅减小子模块电容容值的MMC优化方法

减小子模块电容容值能够降低模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的成本、体积和重量,具有重要的工程意义。该文首先建立半桥、全桥和混合MMC的子模块电容电压波动统一模型,揭示出基频和2倍频波动是主要分量。在此基础上,提出一种结合2倍频环流和3倍频共模电压注入及优化调制比来减小子模块电容电压波动的方法。以混合MMC为例,结合其运行的约束条件对调制比、子模块数量、控制策略和子模块容值选取进行优化设计。所提优化方法能够将子模块电容容值减小为常规的约1/3,同时降低换流器通态损耗并保留直流短路故障处理能力。仿真结果验证了理论分析的正确性和所提优化方法的有效性。     

基于滑动平均算法的模块化多电平变换器解耦控制策略

模块化多电平变换器（MMC）是一种具有诸多优势的电力电子变换器。然而,由于MMC的结构特点,子模块电容会周期性进行充放电,因此子模块电容电压会不可避免地出现波动,而电容电压纹波会使MMC输出电压恶化,总谐波畸变率(THD)升高。针对该问题,提出了一种基于滑动平均算法的电容电压解耦控制策略。采用所提策略,不仅子模块电容电压可达到较好的平衡效果,还能消除子模块电容电压纹波对输出电压的影响。通过仿真和实验,验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平变流器调速系统变频控制

模块化多电平变流器(MMC)凭借着诸多优势成为高电压大功率工况下的核心拓扑。但MMC变频调速系统运行于低频状态时存在桥臂能量分配不均衡、子模块电容电压波动严重等问题,不仅影响变频器全速域运行能力,甚至威胁系统安全。为解决上述问题,提出一种基于共模电压与偏置电压控制的MMC变频调速系统全速域运行方法,旨在通过控制系统各桥臂瞬时功率以快速抑制子模块电压波动。首先,构建系统数学模型,分析悬浮电容电压波动影响因素;其次,设计变频调速系统的低频控制器与在线模式切换环节;最后,为验证所提控制策略的可行性和有效性,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提控制策略能有效抑制MMC变流器子模块电压波动,完成不同频段平滑切换,降低系统损耗,改善系统输出品质,提升MMC系统安全运行能力。     

不平衡电网电压下抑制MMC子模块过电压的调制比设计方法

模块化多电平换流器(MMC)在调制比为1.414的稳态运行条件下,子模块电容电压波动的基频分量将被抑制到0;但在电网电压不平衡时基频分量会变大,导致子模块电容电压波动显著增加。为抑制电网电压不平衡时的电容电压波动,基于桥臂功率分析了稳态和电网电压不平衡条件下子模块的电压波动特性,提出了一种适用于混合型MMC的调制比设计方法,该方法以桥臂瞬时功率的基频分量为抑制目标,综合考虑了不平衡电网电压下的三相子模块电压波动特性,通过改变直流电压指令值从而改变运行调制比,避免了故障时子模块发生过电压的情况。在PSCAD中搭建混合型MMC模型,通过对3种电网电压不平衡工况进行仿真分析,验证了所提方法的有效性。     

基于桥臂二倍频电流分量重构的MMC降容控制方法

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）已显示出很好的工程应用前景。降低MMC子模块电容电压波动对实现换流器的轻型化具有非常大的工程意义。通过对国内外降低MMC子模块电容电压波动的各种控制方法进行归纳总结,可知各种通过控制方案降容的方法的实质为在桥臂上注入谐波电压和电流。在此基础上,提出一种桥臂二倍频电流量重构的方法,并在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建程序进行验证,仿真结果表明所提方法可有效降低子模块电容电压纹波幅值。进一步进行了低电容容值仿真验证,其在保持子模块电容电压纹波幅值不变的情况下,可有效降低子模块电容容值30%以上。另外,进行了MMC换流阀损耗分析,结果表明低电容容值工况下的换流阀损耗不大于对照工况下换流阀损耗。     

MMC功率运行区域分析及环流切换控制策略

通过对模块化多电平换流器(MMC)动态特性和控制机理的分析,提出基于系统容量、电容电压波动阈值以及最大瞬时调制比的功率运行区域确定方法,并通过该方法对环流抑制和环流注入控制策略在不同子模块电容配置下的功率运行区域进行了比较分析。该方法可以优化子模块电容参数选取,避免过度冗余设计。此外,提出基于电压预测的环流控制器,使在不同工作点下可根据分析结果直接进行最优环流控制模式切换。对某单一桥臂子模块数为20的MMC系统进行仿真研究,结果验证了所提功率运行区域分析方法及其环流切换控制策略的正确性和有效性。     

基于四分位数的MMC子模块开路故障诊断方法

模块化多电平换流器(MMC)子模块发生故障时,如何快速准确地检测并定位故障是提高换流器运行可靠性的关键。为解决上述问题,提出了一种基于桥臂输出电压误差、子模块电容电流误差四分位数的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开路故障诊断策略。首先,基于桥臂电压实际值和预测值误差,检测故障桥臂和子模块数目。其次,建立子模块电容电流观测方程,计算电容电流实际值和预测值误差,基于误差数据四分位数定位故障具体位置。最后,基于硬件在环(HIL)实验平台进行单相MMC系统实验研究,结果表明,所提方法在20 ms内准确定位IGBT开路故障,且故障定位阈值选取具有鲁棒性强的优点。     

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。     

MMC中压电机驱动系统全转速范围电容轻量化研究EI北大核心CSCD

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于中压电机驱动系统时存在子模块电容尺寸过大的问题,在电机低速运行时尤其明显。文中提出一种基于横向子模块互联的低容值MMC(low capacitance MMC,LC-MMC)电机驱动系统,利用拓扑特点实现了系统在电机全转速范围内的电容轻量化。LC-MMC基于横向子模块输入波动电流的三相对称性,在互联通道中实现了他们的相互抵消,从而大幅减小了子模块电容尺寸,并且不受电机运行频率的影响。文中从传统MMC电机驱动系统出发,分析其对子模块电容的具体需求;对所提LC-MMC实现全转速范围内的电容轻量化方案进行详细介绍;然后,对两种MMC电机驱动系统进行对比评估,并分析LC-MMC的共模电压自然抑制特性;最后,对所提LC-MMC方案进行仿真与实验验证。     

一种MMC子模块电容电压波动最小化容值优化方法

模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)广泛应用于直流配电系统。MMC由多个子模块组成,减小子模块电容可以降低子模块成本,提高变换器功率密度。分析了共模电压、环流和调制比对电容电压波动的影响,利用电容电压波动的解析表达式,通过注入合适幅值和相位的三次共模电压和二、四次环流,选取最优调制比,使目标函数电容电压纹波达到最小化,从而在一定电容电压波动率下使其电容取值达到最小化。采用所提方法可以使子模块电容容值的需求降低至常规方法的22%,变换器功率损耗降低至常规方法的87%,而开关管电流应力与现有方法相比只增加0.5%。RT-LAB实时仿真结果验证了所提理论的正确性和可行性。     

低频工况下MMC模型预测控制策略EI北大核心CSCD

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在船舶电力推进系统、电力传动以及变频驱动等领域有着广泛的应用前景。然而,MMC在启动或低频运行时,子模块(sub-module,SM)电容电压波动急剧增大,严重危害了MMC系统的安全运行。文中提出一种MMC低频SM电容电压波动抑制的模型预测控制策略。建立含共模电压的电流预测模型及桥臂电压差预测模型,构建统一控制代价函数对参考值与实测值的误差进行评估。在滚动优化中采用2N+1电平输出方式,可为低频MMC的最优控制提供更多的选择自由度。为验证所提控制策略的可行性与有效性,对其进行仿真和实验研究。结果表明,所提的控制策略能有效抑制低频时MMC子模块电压的波动,降低系统输出电流谐波含量,提升MMC系统安全运行能力。     

一种基于环流注入的全桥型MMC降容优化设计

为降低全桥型MMC各子模块电容体积,提高全桥型MMC功率密度,基于调制比和环流对电容电压波动影响机理,提出一种特定相位及幅值环流注入的方法,降低了各子模块滤波电容电压波动。为验证所提方法的正确性,在额定工况及单位功率因数条件下,对所提方法进行了仿真实验,仿真结果表明,采用新的降容措施后,电容电压波动范围缩小20%,纹波系数减小至30%,电容容量减小20%。