模块化多电平换流器的环流抑制方法研究

模块化多电平换流器(MMC)在中高压直流输电中得到了广泛的研究和应用。其内部环流的存在是MMC的一种重要现象。在MMC的拓扑结构及其内部环流产生机理的基础上,利用二倍频负序旋转坐标变换,把换流器内部的三相环流分解为两个直流分量,并提出了相应的环流抑制方法。仿真结果证明,利用坐标变换提出的环流抑制控制器可以有效地消除桥臂电流中的环流分量,减小桥臂电流的畸变程度,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生负面影响。     

不平衡状态下MMC双回路环流抑制策略

模块化多电平换流器(MMC)的内部环流将会增加换流器的功率损耗,降低桥臂容量利用率;同时加剧桥臂电流畸变,影响开关器件的安全运行。因此,需要采取有效的控制手段抑制环流。该文通过详细的相单元瞬时能量理论推导,得到MMC内部环流和环流抑制控制器输出电压间的交互作用会造成环流四倍频分量增加的结论。在基于准比例谐振调节器的环流抑制策略基础上,添加环流辅助控制回路,提出了一种环流抑制能力增强型的双回路环流抑制策略。通过合理整定调节器参数可以改善环流抑制控制器的闭环零极点分布,增强控制系统的稳定性,同时提高环流抑制控制器在谐振频率附近处的环流抑制能力。在PSCAD/EMTDC中搭建三相MMC详细仿真模型,验证了双回路环流抑制策略的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器内部环流频谱特性分析

模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输电系统的核心技术.然而MMC三相桥臂间的内部环流会使本来正弦的桥臂电流发生畸变,从而导致MMC系统成本增加,损耗增大.为了分析三相桥臂环流的产生机理,建立了 MMC电路的数学模型,从瞬时能量动态特性角度考虑给出了桥臂环流的计算方法,证明了内部环流的存在性,指出了其主要由直流分量与二倍频负序分量组成.从解析表达式入手探讨了内部环流二倍频分量的影响因素,搭建了 MMC双端测试系统,分析了换流阀功率因数、电压调制比、桥臂电抗对MMC内部环流频谱特性的影响.基于理论分析研制了换流阀组件样机,搭建了基于H桥的运行试验系统,进行了试验验证,证明了样机对内部环流的耐受能力满足要求.     

模块化多电平换流器桥臂电流分析及其环流抑制方法

为了抑制模块化多电平换流器(MMC)内部环流,对MMC桥臂电压的波动和环流产生的机理进行了分析,提出了一种抑制环流的补偿控制方法。MMC在进行功率交换时,由于桥臂电流的作用,导致子模块电容电压发生周期性的变化,采用平均值的方法分析得出子模块电容电压包含直流分量和交流分量。采用最近电平调制法进行换流器电压调制,由于子模块电容电压含有直流分量以及基频分量偏差,导致桥臂电压与期望值间存在基频偏差和二倍频等分量,从而产生环流。通过对桥臂电压与期望值的偏差量进行补偿,能够消除桥臂电压的偏差,从而抑制换流器桥臂间的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了11电平MMC双端直流输电系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平换流器三相桥臂电抗器有限元仿真分析

在模块化多电平换流器(MMC)运行过程中,由于每相桥臂上电容电压不相等,极易出现桥臂电压不平衡现象,伴随着桥臂中直流分量出现三相不相等情况,极易导致三相电抗器中其中一相偏磁过大,造成三相桥臂中电流不平衡,内部出现零序环流,该环流进入直流侧加剧直流侧电压、电流及功率的波动.利用有限元仿真软件搭建MMC解耦后的直流侧等效电路,针对三相铁芯桥臂电抗器输入和输出特性进行电磁场瞬态仿真,通过在磁芯上引入非线性B-H曲线效果,计算了电磁场空间分布和磁饱和效应等,分析在MMC三相桥臂中直流分量分布不同工况下对各相电感量及直流侧电流波动特性的影响,为MMC三相桥臂电抗器的设计及选择提供了参考.     

电网电压不对称时MMC-HVDC精确环流抑制控制

基于模块化多电平换流器(MMC)柔性直流输电被认为是最具竞争力的高压直流输电方式。基于PR控制器的MMC环流抑制策略已经得到广泛应用并能有效降低桥臂各环流分量,但在电网电压不对称时,桥臂环流中零序电流分量将进入直流侧引起直流电压/电流2倍频波动,现有控制策略不能很好地对其进行抑制。并且现有环流控制模型不能完全揭示MMC内部固有特性,这也阻碍了对MMC的进一步的理解和应用。针对以上两个问题,提出精确的环流控制模型,指出MMC内部环流电气量之间的相互关系。在此基础上,设计了新的环流抑制策略,在Matlab中搭建了±100 k V/300 MW MMC-HVDC仿真模型。仿真结果表明所提控制策略能同时降低桥臂环流和直流电压纹波,提高了MMC-HVDC故障穿越能力。     

基于准比例—谐振控制的MMC-HVDC环流抑制策略

模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统三相桥臂之间存在的环流分量,直接影响系统工作特性,增加系统损耗。根据桥臂电流中含有二倍频分量的特性,构建了两相静止坐标系下模块化多电平换流器(MMC)的环流数学模型。为实现正弦输入的无差跟踪,设计了准比例—谐振(PR)控制器实现框图,并基于准PR控制器设计了环流抑制控制策略。相对于旋转坐标系下的环流抑制控制器,所提控制策略无须引入耦合便可实现解耦控制,减小了参数调节工作量,同时无须进行旋转坐标变换,减小了延时,提高了响应速度。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,验证了基于准PR控制的环流抑制策略的有效性。     

基于虚拟阻尼的MMC电流振荡抑制方法

模块化多电平换流器(MMC)由于能量分布在各个相和桥臂中,导致工作过程中伴随着相间环流。建立了MMC拓扑的数学模型,分析了MMC拓扑的工作原理,通过对相间环流的形成原因和换流器自身谐振频率的分析,得出了桥臂电流振荡的形成机理。为抑制桥臂电流振荡,设计了基于虚拟阻尼的振荡抑制方法,通过在桥臂电压指令中加入虚拟阻尼分量抑制振荡。在PSCAD/EMTDC的仿真模型和49电平MMC低压样机上分别验证了虚拟阻尼电流抑制方法的有效性。     

模块化多电平换流器桥臂电流直接控制方案

通过分析模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构,提出一种MMC桥臂电流直接控制方案,该方案对MMC上/下桥臂电流实施独立控制.建立了MMC系统小信号传递函数模型,对桥臂电流反馈控制策略进行了分析与设计.以MMC并网逆变器为例,结合多层次电容电压平衡控制策略,得到了基于桥臂电流内环控制的MMC综合控制方案,以实现网侧电流控制及电容电压平衡控制.仿真结果表明,所提出的MMC桥臂电流直接控制方案具有优良的动静态特性,并能有效抑制三相内部环流,验证了该方案的可行性和有效性.     

基于微分平坦理论模块化多电平换流器环流抑制控制方法

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Convert,MMC)三相桥臂相间环流问题,基于微分平坦理论推导出一种环流抑制控制模型。通过分析MMC相间环流的产生本质,根据微分平坦理论的定义,选取系统的输入,输出和中间量,证明了设计出的环流抑制控制器满足微分平坦理论的条件。基于该理论设计的环流抑制控制器,能够大大降低桥臂电流中的环流分量,使其更接近正弦波。最后通过Matlab/Simulink搭建了相应的MMC仿真模型,在未影响MMC外部电压电流的情况下,仿真结果证明了该环流抑制控制模型的有效性,为环流抑制控制器的设计提供了一种新的思路。     

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。     

模块化多电平换流器新型桥臂环流抑制策略研究

为抑制模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的内部环流,介绍了一种新型的桥臂环流抑制策略,包括其MMC改进拓扑、环流抑制方法及电压校正模块(Voltage Correcting Module,VCM)的稳压控制方法。为便于工程应用,提出了该策略的VCM冗余控制方法,并对VCM进行了参数设计,包括子模块电压设计和支撑电容容值设计。仿真结果说明了所提VCM参数设计合理,验证了该冗余控制方案可在维持VCM电压稳定的基础上有效抑制换流器的桥臂环流。该方案适用于所有MMC系统,在使用IGBT串联MMC的高压大容量场合优势明显。     

采用桥臂电抗投切控制的MMC降电容运行方法

随着柔性直流输电技术的发展,换流阀轻型化的需求日益迫切,对子模块电容电压纹波幅值的要求决定了电容值的降低比较困难,是影响换流阀轻型化的关键因素之一。根据基频、二倍频分量在子模块电容电压波动中占主导的特点,提出一种通过控制桥臂电抗值的方式降低子模块电容电压波动的策略。设计了桥臂电抗投切电路和投切控制策略,并从数学原理上对比分析了所提策略与现有环流抑制控制策略的不同之处与优势。在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端直流输电模型,验证了所提降容策略的有效性。最后从经济性角度对所提策略及现有环流抑制策略进行了对比分析,表明所提策略具有良好的经济性。     

基于模块化多电平换流器的电池储能系统控制策略

针对基于模块化多电平换流器的电池储能系统,提出了电网电压对称运行和电网电压不对称运行情况的通用控制策略。其控制策略主要包括输出功率控制、电池荷电状态(SOC)均衡控制以及并网电流直流分量抑制。SOC均衡控制分为相间SOC均衡、桥臂间SOC均衡以及桥臂内SOC均衡。通过控制环流实现相间SOC均衡和桥臂间SOC均衡;通过调节各个子模块输出电压工频分量,实现桥臂内各子模块的SOC均衡。首先对基于模块化多电平换流器的电池储能系统的模型进行了详细分析;基于等效模型,提出了相应的控制策略。最后,通过仿真以及实验对所提出的控制策略进行了验证。     

模块化多电平换流器装置级控制器的设计

介绍了模块化多电平换流器的结构及原理,并搭建了数学模型。基于MMC的电容电压波动和环流问题,设计了MMC的装置级控制器。最后,通过Matlab/Simulink搭建了包含该控制器的MMC仿真模型。结果证明,该控制方法可有效地平衡换流器子模块的电容电压及抑制内部环流,并且不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生负面影响。     

Research on high voltage DC transmission system optimal control based on MMC

In high voltage direct current (HVDC) transmission system, modular multilevel converter (MMC) is not satisfactory to maintain the balance of the capacitor voltage and doesn’t have the DC side fault ride-through capability. This paper presents that the MMC bridge arm consisting of half bridge module and clamping double sub module in series can reduce the loss of steady state operation and the amount of components. The repetitive predictive control is proposed to suppress the circulation current and balance the capacitor voltage based on the topology of MMC. A related model is built in the PASAD/EMTDC software environment and a repetitive predictive control strategy is developed. The simulation results show that the proposed system not only has the DC side fault ride-through capability, but also carries out the capacitor voltage balancing task and minimizes the circulating currents.     

基于连续模型的MMC环流谐振分析

模块化多电平变换器(MMC)未来在中高压能源转换领域潜力巨大。桥臂环流的存在是MMC区别于其它多电平变换器的重要特点,子模块电容和桥臂电感参数设计不合理会导致变换器发生环流谐振。首先,依据MMC连续模型,由桥臂电流和正弦调制的相互作用推导出子模块电容电压的解析表达式,子模块电容电压存在不同频率的交流波动分量进而导致桥臂电流中出现不同频率的交流环流;然后,通过分析不同环流谐振频率之间的关系得到避免2倍频环流谐振的元件参数设计依据。最后,利用Matlab/Simulink搭建MMC时域仿真模型验证了理论分析的正确性。     

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。