基于辅助子模块的MMC输出电流谐波优化控制方法

基于半桥结构的模块化多电平变流器（modular multilevel converter,MMC）因其具有功率大、电压等级高等特点，在柔性直流输电系统中被广泛应用。与载波移相调制（carrier phase shift modulation,CPS-PWM）相比，最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）具有控制简单，开关频率低的显著优势。但在输出电平较少时，NLM调制输出电流谐波畸变率较大。因此，文中在传统MMC的每个桥臂中串入1个全桥子模块，控制该全桥子模块的电容电压为半桥子模块的1/2，以增加MMC输出电平数。对NLM调制策略进行改进，改进后的调制策略可以实现半桥和全桥子模块的平衡控制，并在此基础上，提出了一种降低子模块开关频率的方法。最后，在MATLAB/Simulink中搭建了详细的仿真模型，仿真结果验证了文中MMC拓扑和改进NLM调制策略的有效性。     

适用于NLMMC的调制策略及电容电压平衡控制

基于循环嵌套(NL)机理的模块化多电平变换器(MMC)的输出电平数与各组子模块数的乘积成正比,在低压场合具有较大优势。由于每个嵌套层内的子模块电容电压不相同,其调制策略以及电压平衡控制较传统MMC相对复杂。此处对NLMMC的调制策略进行了改进,并在其基础上提出了一种适用于NLMMC的子模块电容电压分层控制策略,并通过实验验证了该方法的有效性。     

基于双调制波的MMC载波调制策略

针对运行在低开关频率下的模块化多电平换流器(MMC)在传统载波调制中存在的输出电压总谐波畸变率(THD)高、子模块电压脉动幅值大等问题,提出了一种双调制波载波脉宽调制(DMWPWM)策略.将两个调制波的载波进行反相,以实现桥臂电平两倍的等效开关频率输出,降低输出电平的低频谐波分量.为尽可能减小排序均压控制过程中所导致的子模块电容电压过充及过放,通过无差拍预测定量分配控制误差最大的子模块的充放电投切时间以减小幅值波动.最终通过17电平MMC硬件以及仿真平台对桥臂输出电平频谱分布、子模块电压幅值脉动及幅值方差、输出电压THD进行对比研究.仿真和实验结果均表明DMWPWM策略可有效降低输出电压THD,并减小桥臂中的子模块电压幅值方差.     

模块化多电平变换器调制策略研究

模块化多电平变换器(MMC)具有可以输出任意电平数、谐波含量低、电磁干扰小、各个模块共用直流侧等优点,在近年来引起了广泛的关注。由于MMC存在着调制复杂和子模块电容电压均衡控制困难等问题亟待解决。针对此难题提出了一种新型的载波平移PWM调制策略,该策略将子模块电容电压的均衡控制整合到MMC的调制中,通过对三角载波的上下平移来改变与正弦调制波的交叉位置从而能够改变其对应的子模块的开关规律。在有效控制电容电压的同时降低了不必要的开关损耗。最后在MATLAB/SIMULINK下建立了模型,验证了该策略的合理性。     

全桥模块化多电平换流器故障容错控制

为提高全桥模块化多电平换流器（F MMC）的可靠性和效率,分析了换流器全桥子模块在IGBT短路和开路时的故障特征,提出了以子模块电容电压下降和子模块输出电压与期望输出电压之间的差异作为故障判据,并结合子模块的投切状态来判断具体故障IGBT位置,然后根据IGBT的故障位置将故障全桥子模块切除或转化为半桥子模块运行的方式来实现全桥MMC的容错控制,同时给出了适用于全桥MMC容错控制的最近电平逼近调制方法。通过仿真分析验证了所提出的容错控制策略的有效性。     

一种改进的MMC阶梯波调制法

为增加MMC阶梯波调制下的输出电平数,减小输出电压谐波含量,提出了一种改进的阶梯波调制法。该方法在计算上下桥臂切入子模块数时采用不同的取整参数实现异步调制,使输出电平数增加近1倍,通过控制上下桥臂的取整参数来回交替,避免了子模块电容电压偏离参考值,改善了阶梯波调制下MMC的输出性能。最后在SIMULINK中搭建了MMC三相仿真模型,对改进前后MMC输出电压波形和子模块电容电压波形进行对比,仿真结果表明,改进的阶梯波调制法能够增加MMC的输出电平数,降低了输出电压的谐波含量,子模块电压也能在参考值处保持稳定。     

一种适用于少子模块MMC的混合调制策略

由于中低压配电网下电压等级较低,模块化多电平换流器(MMC)子模块数量也较少,因此少子模块MMC的调制方式对MMC系统的性能有重要影响。为改善少子模块MMC的输出质量与输出能力,文中提出一种工作在高调制度的基于电平阶跃点切换的少子模块MMC混合调制策略。在最近电平逼近调制(NLM)的基础上,控制MMC在输出电平阶跃点处进行NLM与载波移相脉宽调制模式之间的实时切换,同时结合环流控制和子模块电压均衡控制,进一步保证少子模块MMC在该混合调制下的正常运行。然后,建立子模块数为4的MMC混合调制的仿真模型,对该少子模块MMC混合调制策略进行仿真验证。结果表明：所提出的混合调制策略兼顾低输出谐波和低开关损耗的特点,提高了其输出质量;且其处于高调制度的工作情况,增大了直流电压利用率,提高了少子模块MMC的输出能力。     

一种适用于直流配电网中半桥-全桥混合型MMC的全电平逼近调制策略

为改善半桥-全桥混合型子模块数量较少的模块化多电平换洗器(modular multilevel converter, MMC)运行性能,推进其在直流配电网等中低压领域的应用,提出了一种全电平逼近调制策略(full level modulation,FLM)。所提FLM利用全桥子模块(full bridge submodule,FBSM)的全电平输出能力,控制桥臂中某一FBSM运行于“脉宽调制(pulse width modulation, PWM)模式”,将所得全电平PWM波与原阶梯波叠加以进一步逼近正弦调制波。子模块工作模式由电容电压排序结果确定,相单元中任意时刻均有两个FBSM运行于“PWM模式”,输出互补的全电平PWM波。基于Matlab/Simulink的仿真结果和物理实验结果表明,在所提FLM调制策略下,交流侧电压电流质量远高于传统最近电平逼近调制策略,运行损耗、控制复杂度及循环电流均优于传统载波移相脉冲宽度调制,满足中低压领域的调制要求。     

一种新型模块化多电平换流器调制策略研究

介绍了适用于轻型直流输电系统(VSC-HVDC)的模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构及原理,并提出一种适用于MMC的新型移相载波调制策略(CPS-SPWM)。基于MMC的能量均衡和电压平衡问题,还提出了和调制策略相协调的电容电压均衡控制方法,最后通过Matlab/Simulink搭建了MMC仿真模型,结果证明所提出的控制方法可以有效地平衡换流器子模块的电容电压,并且保证MMC外部输出良好的交流电压和电流。     

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。     

基于多变量校正的MMC快速有限集模型预测控制策略

有限集模型预测控制方法(finite control set model predictive control, FCS-MPC)因其能够实现多目标的控制,在模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)中得到广泛应用。随着子模块数量增加,模型预测控制方法计算量呈指数增长,面临计算复杂度高、权重因子难以整定等问题。为了解决上述问题,提出了一种基于多变量校正控制集的MMC模型预测控制策略(multi-variate adjusting set predictive control, MAS-MPC)。该策略基于输出电流与桥臂电压差对子模块投入控制集进行快速校正,通过评估两个成本函数得到最优开关矢量。此外,提出了一种基于分化中项的电容电压平衡方案,可以有效降低排序算法的复杂度。为了验证所提策略的有效性,使用Matlab/Simulink软件平台搭建了10电平的三相MMC系统,并与传统方案进行比较。所提方案在降低输出电流与环流的谐波含量的同时,大幅减少了系统的计算量,使得系统具有更快速的动态响应速度。     

基于双队列的模块化多电平换流器子模块调制方法

模块化多电平换流器的子模块调制技术是该拓扑的主要技术难点之一。传统策略中,需实时检测桥臂所有子模块的电容电压,并进行全排序。若子模块数量较多,会对控制器性能产生较高要求,并产生控制延时,影响换流器安全稳定运行。为此,提出了一种基于双队列的模块化多电平换流器调制方法。在初始时刻建立桥臂的投入队列和切除队列,电平变化时根据当前时刻桥臂电流的方向及桥臂子模块的最大电压偏差,对上一时刻的投入队列和切除队列进行调整。该方法无需对子模块电容电压进行排序,在保持较低开关频率的基础上大大降低了系统运算时间。在PSCAD/EMTDC中搭建了相应的仿真模型,仿真结果证明了该策略的可行性和有效性。     

采用载波移相调制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的底层控制策略,研究载波移相调制(carrier phase-shift modulation,CPSM)方法及相应的直流电容电压平衡控制策略。首先,以桥臂为单位设计CPSM策略,推导出保证桥臂输出特性不变的约束条件;其次,从理论上分析控制子模块直流电容电压的原理,揭示出桥臂的能量自然平衡状态,进一步提出电容电压的附加平衡控制。在10 kVA实验室样机上进行的稳态和动态实验,验证了所提控制策略的有效性。CPSM结合电容电压附加平衡控制方法,可以使各子模块的开关频率确定,不引起额外的开关损耗,并能够避免计算量过大的问题。     

具有较低复杂度和开关频率的MMC混合排序均压算法

模块化多电平换流器(MMC)在世界范围内的直流输电中应用已经十分广泛,其中电容电压均衡控制策略是MMC应用的关键技术与难点。文中首先提出了一种分两组的组间比较排序法,称为OF排序法。该方法排序的最大时间复杂度为N-1,但该方法的使用范围受限。因此,在此基础上又提出了一种新型MMC混合排序均压算法。该算法在大幅降低排序时间复杂度的同时还能够降低器件的开关频率。以厦门柔性直流输电工程为例,验证了该算法在多种工况下的正确性。最后,通过仿真计算出新型混合排序均压算法的时间复杂度约为1.45 N,优于现有的其他MMC均压排序算法,并且仿真结果显示该算法还能降低开关频率,约为传统冒泡法的1/2。     

基于子模块电压估计的MMC调制与控制

针对模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）采用直接调制会导致谐波环流的问题,提出了一种基于估算子模块电压的新型调制算法：首先估计各桥臂所有子模块的平均电压,然后以估算的子模块电压为参考值,利用最近电平逼近法得到各桥臂期望投入的子模块数。针对MMC直流回路阻尼偏小的问题,设计了直流回路辅助控制器以增大直流回路的阻尼。最后搭建了三相71电平MMC仿真模型,对提出的调制算法和辅助控制器进行了仿真验证,结果表明：所提出的新型调制算法可有效抑制MMC的谐波环流成分,抑制效果优于直接调制算法;辅助控制器有效增大了MMC直流回路的阻尼,改善了直流电流的动态响应性能,与新型调制算法配合使用可进一步消除环流波动成分,且在交流系统不对称情况下亦可有效抑制直流电流的波动。     

一种低开关频率运行的模块化多电平变换器混合调制策略

近年来,基于模块化多电平变换器(MMC)的电压源型高压直流输电技术得到广泛的应用。为了在不增加开关频率的情况下尽可能减小子模块电容电压波动,同时降低系统输出中的谐波含量,通过结合最近电平逼近调制(NLM)和脉宽调制(PWM)两者的优势,提出一种能够满足高压直流输电要求的混合调制策略。该方法在阶梯调制的基础上加入PWM,对误差信号进行二次调制,采用子模块单元选择法并构造电容电压平均、平衡控制和电流闭环控制,对各桥臂子模块投切状态进行实时反馈修正,使系统在较低的开关频率下仍能对子模块电容电压波动以及输出谐波含量进行有效优化,最后在MATLAB/Simulink平台上验证了该方法是有效可行的。     

模块化多电平变流器的直接功率控制仿真研究

新型模块化多电平变流器(modular multilevelconverter,MMC)通常采用双闭环矢量控制策略,针对该方法存在的需调整控制参数较多、动态响应慢等问题,研究MMC的直接功率控制策略及电容电压平衡方法。首先,将现有的桥臂模块电压排序法与参考信号中叠加平均值控制量的方法进行综合,控制电容电压平衡;然后,在桥臂内电容电压相互平衡的基础上,利用双闭环PI调节器控制桥臂间各电容电压保持一致并跟踪给定,使电压波动范围明显减小,提高变流器输出波形质量;最后,将变流器虚拟磁链直接功率控制策略应用于MMC。研究该种拓扑结构下的功率估计方法,并利用Matlab对所设计系统进行仿真验证,结果表明所提控制方法正确、有效。     

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。