模块化多电平换流器的损耗计算

对模块化多电平换流器(MMC)在正弦脉宽调制方式下子模块上下管开关器件的投入概率进行分析。结合上下管开关器件的投入概率,导出上下管开关器件等效电流的表达式。以子模块电容器在一个基频周期内的电压变化量是零为基础,推导出子模块电容器电压与电容器电容、负载功率因数、调制比及阀侧交流电流峰值之间的关系,并解析出上下管开关器件的平均电流与有效电流。利用开关器件制造厂商提供的损耗相关参数,对厦门柔性直流示范工程MMC在整流状态和逆变状态下的损耗和结温进行计算。计算结果表明,损耗计算和结温估算模型能为MMC冷却系统的配置提供参考。     

采用不同子模块的MMC-HVDC阀损耗通用计算方法

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)提出了一种阀损耗通用计算方法,可统一分析现有子模块结构:半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块。首先基于系统运行参数和调制控制策略解析出各子模块元件的电流、电压时域变化波形,然后利用厂商提供的特性曲线对半导体器件特性参数进行拟合,最后结合器件电流、电压波形和开断次数计算其损耗和结温。所提方法能够计及优化电容电压附加控制,且便于编程实现。基于所提方法开发了MMC-HVDC阀损耗通用分析程序,可快速计算各种工况下的换流器功率损耗分布和器件结温。通过算例计算验证了所提方法的有效性。算例结果表明:3种典型MMC拓扑中H-MMC损耗最少,C-MMC次之,F-MMC最差;环流抑制后个别运行工况下换流器损耗特性可能恶化;降低器件开关频率和提高电压调制比均可降低损耗;当器件开关频率低于某特定值(本算例为500 Hz)后,器件的通态损耗成为主导分量。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

柔性直流输电系统换流器损耗与电压等级的关系研究

柔性直流输电一般采用模块化多电平换流器（MMC）,换流器损耗是衡量柔性直流输电系统的重要指标之一。推导了MMC子模块的通态损耗解析表达式、开关损耗解析表达式。从表达式可以看出,换流器损耗不仅与MMC子模块数量有关,还与柔性直流输电系统的容量、电压等级有关。详细分析了柔性直流输电系统容量与电压等级对换流器损耗的影响规律,得出了保证损耗最低的换流器输电电压等级的选取方式。仿真算例表明,采用所提方法确定的电压等级可以保证MMC换流器具有更低的损耗。     

基于全桥MMC柔直换流阀损耗分析方法

基于全桥MMC的柔性直流输电系统,能迅速隔离直流线路故障,得到了广泛的应用。损耗是衡量换流阀的重要指标,文中对基于全桥MMC换流阀的损耗进行分析,运用分段解析计算的方法给出具体的计算表达式。首先,将MMC换流阀的总损耗分为通态损耗和开关损耗两部分。然后,根据桥臂电流的方向,桥臂电压与投入子模块个数之间的关系,运用分段解析方法得到MMC换流阀的通态损耗;之后,根据每个子模块投切状态变化对应的能量损耗进行分段解析计算,求得MMC换流阀的开关损耗;将这两部分损耗进行综合,从而得出基于全桥MMC换流阀的总损耗。仿真结果验证了文中所提出的损耗分析方法的准确性。     

基于电压电流特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗在线计算方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)中绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor, IGBT)多运行于高压条件,需采用大量程传感器对集射极电压进行测量,但会产生较大测量误差,制约了通态损耗的准确计算。因此,针对MMC子模块中IGBT提出了一种基于电压电流特性曲线的通态损耗在线计算方法。首先,基于IGBT及二极管特性曲线参数实现了通态压降、集电极电流及结温之间关系模型的二维及三维拟合。其次,对单位电流周期内器件投切模式进行分析,实现通态损耗表达。此外,基于电热比拟相关理论,构建IGBT等效热网络模型。然后,综合考虑器件电流、导通信号及壳温等信息对结温进行反馈修正,进一步形成了IGBT通态损耗在线计算方法。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。     

基于结温反馈方法的模块化多电平换流器型高压直流输电阀损耗评估

为了计算模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的半导体器件在实际工作结温下的损耗,提出了基于结温反馈方法的MMC损耗计算方法。根据供应商数据及仿真得到的换流器实时电压电流值,在PSCAD/EMTDC中建立了考虑结温变化的损耗计算模块,分析了MMC子模块各部分的通态损耗和开关损耗。同时给出了不同散热器温度下MMC一端换流站的阀损耗比例。计算结果表明,由于器件的实际工作结温往往低于标准结温,因此采用结温反馈后计算得到的换流阀损耗值小于采用恒定结温方法得出的结果。同时证明了MMC的开关损耗较小,在不计吸收电路及驱动电路损耗的前提下,其单站阀损耗占额定直流功率的比例可以下降至<1%,这与二电平和三电平电压源换流器拓扑相比有明显的下降。     

模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析

为了分析模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块电容电压波动和内部环流的基本成分,以开关函数为出发点,对电容电压波动和环流进行了数学分析。分析结果表明:基频波动和2倍频波动是电容电压波动的基本成分,并得出其解析表达式;内部环流仅包含偶次谐波成分,且以2次谐波环流为主,并给出其幅值的解析表达式。针对环流对MMC运行的影响,分析了MMC交流侧相电压中的谐波成分,结果表明环流导致MMC输出相电压中的奇次谐波含量增大,尤以3次谐波最为明显,且给出了3次谐波幅值的计算表达式。仿真结果表明上述理论分析是准确的,为子模块电容值和桥臂电感的选取提供了理论基础。     

六角形模块化多电平AC/AC换流器损耗特性分析计算

详细分析换流器的损耗特性对于系统设计、冷却装置选型都有着重要意义。文中基于全桥子模块的工作特性,对六角形模块化多电平AC/AC换流器(Hexverter)的子模块损耗分布及换流器的总损耗进行分析计算。首先,简要介绍和仿真验证了Hexverter的工作原理。然后,通过提取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的数据进行拟合,建立IGBT及其续流二极管的通态特性和开关特性参数,进而对子模块工况进行详细分析,根据全桥子模块的输出特性推导出各器件导通范围及导通时间的解析表达式,从而得到通态损耗和开关损耗的理论计算表达式。最后,通过10 kV系统算例对换流器损耗进行了定量分析,对支路内不同子模块的损耗分布和不同工况下Hexverter的损耗进行计算,结果表明全桥子模块内部的损耗分布呈现对称性外,同一支路内各子模块损耗也不尽相同,特别是在不同容量及功率因数的工况下,子模块损耗分布及换流器总损耗存在明显差异。     

基于改进冒泡排序的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)子模块电容电压均衡是当前MMC研究领域的热点问题。当MMC的单个桥臂子模块数量较多时,存在控制器运算时间长、子模块投切频繁和开关损耗大并导致MMC故障等缺陷。针对上述缺陷,提出了一种基于改进冒泡排序算法和平均值法混合控制策略。通过实时监测电容电压,采用改进冒泡法在初始化时对子模块电容电压进行排序,减少MMC控制器的运算量。在之后的控制周期采用已投入子模块平均值比较法对子模块作投切,降低开关频率。最后在Matlab/Simulink搭建21电平MMC模型,仿真结果验证了所提混合控制策略的有效性和正确性。     

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。     

混合型MMC非闭锁型直流故障穿越的故障等效模型

由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型MMC相比全桥型MMC能够在降低成本的同时具备直流故障穿越能力,直流故障暂态分析是混合型MMC器件选型和配比设计的基础。为分析混合型MMC直流侧故障的暂态特性,建立了额定运行状态下和降压运行状态下发生极间短路的混合型MMC非闭锁型直流故障穿越过程的故障等效模型,分析了直流故障穿越期间混合型MMC各桥臂子模块的动态投切过程,将非闭锁型直流故障穿越控制策略切换前的暂态过程等效为不可控的子模块电容放电过程,将控制策略切换后的暂态过程等效为带有电感初始储能和反向电压源的限流过程,并给出了直流侧短路电流的解析计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了本文所提模型和计算方法的有效性,能够为混合型MMC的优化设计提供参考。     

适用于模块化多电平换流器实时仿真的建模方法

为了实现模块化多电平换流器(MMC)系统的实时仿真,采用理想变压器模型法对MMC进行了模型分割。针对模型分割联解信号延时导致的波形失真问题,提出了采用插值预测和超前预测分别对串行和并行实时仿真延时进行补偿的方法。此外,为了进一步提高模型分割后子模块群组的计算速度,提出了MMC子模块网络的开关函数等效模型和电磁暂态数值模型,并推导了数值模型中子模块输出电压和电容电压的差分方程。然后,以21电平MMC逆变电路为例,将上述MMC建模方法与原整体模型进行了仿真对比分析。结果表明,所提插值预测的方法有效改善了MMC分割模型的稳定性,且具有极高的仿真精度。所提开关函数模型和电磁暂态数值模型均具有很好的加速效果,其中,电磁暂态数值模型与详细模型的仿真结果高度吻合。所提出的建模方法适用于MMC实时仿真测试平台的构建。     

基于改进排序算法的模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制策略研究

传统基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统在运行时,存在子模块电容电压均衡运算量大和子模块开关频率高的问题,据此,本文提出了一种基于快速排序算法和改进插入排序算法相结合的电容均压控制策略,通过逐次降低待排元素的数量减少计算量。在此基础上,提出一种改进保持因子的插入方法,进一步减少计算量与开关频率。最后,在MATLAB/SIMULINK搭建31电平MMC模型。仿真结果表明,基于快速排序算法和改进插入排序算法相结合的电容电压均衡策略能够在较好维持电容电压均衡的基础上,有效降低计算量。     

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。     

采用电抗子模块分段投切的模块化多电平换流器降电容方法

模块化多电平换流器(MMC)子模块电容的电容电压波动使得电容值难以降低,阻碍了MMC换流阀轻型化的发展。在考虑了2次和4次相间环流的基础上,分析了子模块电容电压与桥臂电流相互影响的机理。为了降低子模块电容电压的波动水平,提出了一种以子模块形式分段投切桥臂电抗器的降容方法。分析了子模块电容电压波动的产生机理,分析了电抗子模块分段投切降容方法的原理,并设计了相应的控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)模型,验证了所提降容策略的有效性,并与现有的环流抑制策略进行了对比分析。     

多输入单相MMC整流器控制方法的研究

多输入MMC整流器是一种可以连接多个交流电源的新型多端高压变换器。针对多输入单相MMC整流器的拓扑特点,提出了一种开关组独立控制方法。该方法对同一桥臂上各开关组的调制信号进行解耦,并加入电容均压和稳压控制功能,实现了每个功率子模块电容充放电的平衡,同时保证了直流侧电压稳定。最后通过仿真验证了所提控制方法的可行性。     

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。