基于新型四电平子模块拓扑的多电平整流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)基于其模块化的结构,能够在较低的开关频率下输出更高电压电平数来逼近正弦波形,使得其在高压大功率直流输电系统应用背景下比传统电压源换流器更可行。传统MMC子模块可以输出0、1两种电平,而本文提出了一种能够输出0、1、2、3四种电平的新型子模块拓扑结构,在换流器需要达到相同输出电平数的条件下,基于新型子模块的MMC级联子模块数量仅仅为基于半桥子模块MMC的2/3,能够可观的减小换流站体积。同时,IGBT开关数量相比半桥子模块MMC系统减少了1/6。在Matlab/Simulink中将最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略及改进的电容电压均衡策略应用于新型子模块拓扑,仿真结果验证了其有效性。     

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.     

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。     

一种混合型模块化多电平换流器的改进载波移相调制方法

混合型模块化多电平换流器(MMC)桥臂中既包含半桥子模块,又包含全桥子模块,原有载波移相调制方法并不适用。文中在分析子模块混合型MMC拓扑结构工作原理及其调制方法的基础上,提出了一种适用于混合型MMC且带电容电压均衡策略的改进载波移相调制方法。在PSCAD/EMTDC中搭建了详细仿真模型,仿真结果证明了该调制策略的有效性。     

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。     

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。     

模块化多电平变换器最近电平调制研究

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的调制方法直接影响其运行时的整体性能。最近电平调制(nearest level modulation,NLM)由于其多电平输出时开关频率低、易于工程实现等优点在中高压大功率场合得到广泛应用。文章针对传统NLM采用电容电压排序,根据电流方向选择相应子模块触发导通的电压均衡方法,在阶梯波形成过程中引入自变量的偏差值,调整近似函数,对发波过程的算法进行修正,使得输出电平数增加一倍,显著提高交流输出电压谐波特性;同时分析比较不同调制偏差量组合情况下的输出电压谐波水平,最后仿真验证了该方法的效果。     

一种改进的中压MMC混合调制策略

在介绍了模块化多电平变换器(MMC)基本运行原理的基础上,分析了传统最近电平逼近调制(NLM)+脉宽调制(PWM)的混合调制策略,针对该混合调制策略输出电压的电平数只有n+1(n为MMC各桥臂子模块个数),在中、低数目子模块下对波形质量改善幅度较小,提出了一种改进的混合调制策略,该调制策略通过对上、下桥臂PWM载波相角差进行合理的配置,可使得输出电压的电平数达到2n+1,从而显著降低了输出电压电流的谐波含量.最后通过实验验证了改进策略的有效性.     

一种改进的模块化多电平变换器调制策略研究

在介绍了模块化多电平变换器(MMC)基本运行原理的基础上,分析了传统的统一脉宽调制(SUP-WM),针对该调制策略输出电压电平数只能达到n+1(n是MMC各桥臂子模块个数),采用一种改进型SUPWM调制策略,该调制策略可以使得输出电压电平数达到2n+1,降低了输出电压的谐波含量和开关管的电压应力。最后通过Matlab/Simulink和MMC实验样机对改进型SUPWM调制策略进行验证,仿真和实验结果证明该调制策略正确、有效。     

基于子模块组合的模块化多电平变换器简化空间矢量调制策略

调制策略对模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）的稳定运行有着至关重要的作用。针对空间矢量调制SVM（space vector modulation）策略应用在MMC中存在计算复杂度高的问题,提出了一种简化的SVM控制策略。首先,将子模块分组构成子单元,使用三电平SVM对每一个子单元进行控制。其次,将相邻子单元的采样时间均匀地错开,以实现MMC多电平输出,降低输出电压和电流的谐波含量。最后,结合电容电压排序策略对子模块进行灵活控制,保证子模块电容电压的均衡。所提出的调制策略在子模块数量较多的MMC拓扑中实施简单,计算复杂度低,控制灵活性高。实验验证了所提方法的可行性和有效性。     

模块化多电平变换器电容电压均衡及环流抑制策略

模块化多电平变换器(MMC)作为一种新的拓扑结构,被广泛应用于高压直流输电领域。分析了电容电压波动及环流的产生。在最近电平逼近调制(NLM)的基础上,结合优化排序法,可以在各子模块电容电压均衡的前提下有效降低开关器件的开关频率。同时研究了在改进NLM调制的基础上,结合模块变动选择法来抑制环流的策略。仿真与实验结果均表明,将上述两种控制方法相结合可以均衡子模块电容电压、降低开关频率以及有效减小环流幅值。     

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。     

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。     

一种提高MMC交流电压鲁棒性的改进调制策略

柔性直流输电技术被认为是目前应用于新能源大规模接入的较好解决方案,且可接入弱交流系统。柔性直流输电工程大多基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),工程中MMC采用最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略。在系统发生扰动或故障使得直流电压波动时,采用传统NLM调制策略的MMC换流器输出的交流电压稳定性较差。该文分析了传统NLM调制策略存在以上缺陷的原因,并针对该原因,提出了一种考虑子模块电容电压实际值的改进调制策略,从而使MMC输出的交流电压在系统扰动时具有较好的鲁棒性。通过在PSCAD/EMTDC中搭建电磁暂态模型并进行仿真分析,验证了该文提出的改进调制策略可以有效提升MMC换流器输出交流电压的鲁棒性。     

基于叠加逼近调制的模块化多电平换流器谐波环流抑制策略EI北大核心CSCD

提出了一种采用改进的最近电平调制技术(nearest level modulation,NLM)的叠加逼近调制策略,能够抑制模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的谐波环流。首先对基于传统NLM的MMC进行解析分析,指出当采用传统NLM时,上、下桥臂电压的实际输出值与控制器参考电压之间会出现偏差,且偏差中的二倍频成分是产生二倍频环流的根本原因。据此,提出了一种叠加逼近调制策略,使上、下桥臂实际输出电压与参考值一致,并从能量平衡角度论证了当采用叠加逼近调制策略时,桥臂中无二倍频环流。以厦门柔直示范工程的电磁暂态仿真算例验证了所提算法的正确性,为下一步的实际工程应用奠定了基础。     

用于城轨直流牵引系统的混合型MMC全桥子模块比例设计方法

城市轨道交通直流牵引供电系统是一个低电压大电流系统,受制于开关器件的通流能力,两电平变流器的单台容量难以满足需求。由全桥子模块和半桥子模块组成的混合型模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）可用于调制比大于1的系统中,利用全桥子模块的负电平输出能力,可以提高交流电压或降低直流电压。针对可用于城市轨道交通直流牵引供电系统的混合型MMC,提出一种全桥子模块比例的设计方法,满足高调制比稳态运行的需求和直流故障清除能力的需求,选取了常见的1 500 V地铁系统作为算例,选取3组参数,在PSCAD软件中搭建仿真模型,验证了设计方法的正确性。     

模块化多电平变换器混合调制策略

提出一种应用于模块化多电平变换器(MMC)的混合调制策略,该方法融合了最近电平逼近调制(NLM)与脉宽调制(PWM)策略。利用NLM算法求得输出电平数,引入子模块直流电压瞬时值对阶梯数进行修正,在此基础上求得PWM波,并确保在任意时刻MMC每桥臂中有且仅有一个子模块处于PWM,以减少系统损耗。与此同时,采用电容电压排序的方法选择PWM工作子模块,并对各子模块进行了电压均衡控制。样机验证了其正确性及先进性。     

中压级联H桥换流器提高输出电能质量的锯齿载波NL-PWM策略

最近电平-脉宽调制(nearest level pulse width modulation,NL-PWM)技术是将最近电平调制(nearest level modulation, NLM)与脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)有机结合的先进调制策略,适用于中压配电网级联H桥换流器,具有开关频率低和谐波特性好的优点。现有的NL-PWM调制基于三角载波,在中压配电网应用CHB子模块数较少的情况下,其输出电压的THD含量相对较高,并且其开关点随参考电压变化,不利于均压控制。由于锯齿载波具有固定的跳变点便于均压控制,通过对NL-PWM调制的基本原理的分析,推导了基于锯齿载波的NL-PWM输出电压波形的频谱;通过仿真分析了不同电平情况下锯齿载波NL-PWM的谐波特性,并将其调制性能与基于三角载波的NL-PWM调制方法进行了对比。最后,搭建了每相4个H桥模块级联的电力电子换流器进行了基于锯齿载波NL-PWM调制的实验验证。仿真和实验结果表明,锯齿载波的NL-PWM调制的输出电压和电流THD含量明显小于三角载波的NL-PWM调制。     

基于MMC的最近电平逼近调制谐波特性分析

介绍了基于MMC的最近电平逼近调制的原理,对输出相电压进行数学分析,并推导出仅与电平数相关的通用数学表达式;在调制过程中对子模块电容电压进行排序,进而选择子模块的投切状态以完成稳压控制,理论分析控制过程。在PSCAD/EMTDC仿真软件下搭建了基于MMC的NLM单端逆变系统,通过仿真,对输出电压谐波特性以及电平数量对谐波的影响进行分析,结果表明谐波特性与理论计算值相一致,验证了表达式的正确性。