MMC子模块电压均衡及环流抑制方法研究

子模块电容电压均衡及桥臂环流问题会对模块化多电平变换器(MMC)的直流侧电压平衡及换流器内部稳定运行产生很大影响.提出子模块电压分块均衡控制策略以及基于矢量比例积分(VPI)谐振控制器的桥臂环流抑制策略.电压平衡控制方法采用分块原理,对子模块电容投入顺序分为三级进行,可以减小桥臂电压波动,而且可以减小IGBT的开关频率...     

MMC子模块故障下桥臂不对称运行特性分析与故障容错控制

针对基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC),研究子模块故障发生后,桥臂子模块实际运行个数不对称情况下的运行特性,揭示其造成上、下桥臂电容电压基值不对称、各次不对称环流、直流电流波动、交直流侧电压偏置、各桥臂电流直流分量不对称等故障机理。基于平衡上、下桥臂基频电压分量的思想,提出一种具有子模块故障容错能力的环流抑制控制器,其通过在传统二倍频比例谐振环流控制的基础上引入基频谐振控制器,以解决不对称桥臂引起的一系列不平衡问题。基于 PSCAD/ EMTDC搭建双端201电平MMC-HVDC系统,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

MMC子模块故障后线电压恢复容错控制策略

模块化多电平换流器(MMC)桥臂无冗余子模块(SM)时,SM故障将导致故障相电压输出能力降低,进而导致MMC输出线电压不平衡。为恢复故障后无冗余MMC输出线电压特性,提高非故障桥臂SM利用率,文中基于中性点转移(NT)与直流分量注入(DCCI)控制,提出应用于无冗余MMC的SM故障容错控制策略。该容错策略通过NT控制,调整三相电压相角,确保输出线电压平衡。此外,文中提出三段式最优DCCI幅值计算方法。与现有方法相比,最优幅值DCCI能进一步提升非故障桥臂SM利用率,提高输出线电压幅值。基于PSCAD/EMTDC平台搭建三相MMC仿真模型,仿真结果验证了所提容错控制策略的有效性。     

基于比例和改进准谐振控制的MMC环流抑制策略

模块化多电平换流器（MMC）由于电容电压的波动会产生环流在相间流动,环流会增加能量损耗并对子模块中的绝缘栅双极晶体管（IGBTs）产生不良的影响。为抑制环流,基于环流的动态数学模型设计了一种能产生反向二倍频分量的比例控制器。针对环流中的高次谐波对传统的准谐振控制器进行了改进。对所提策略进行了仿真验证,仿真结果表明比例控制策略仅经过0.2 s后快速达到稳态抑制环流,改进后的准谐振控制策略相比于改进前THD值优化了3.56%,进一步降低了高频谐波分量,验证了所提策略的可靠性。     

模块化多电平换流器子模块故障时中性点移位容错控制策略

模块化多电平换流器(MMC)发生子模块故障后,由于桥臂子模块数目的改变,将使故障相的相电压输出能力发生改变,导致三相输出不对称。针对MMC子模块故障下容错控制问题,以保证子模块故障后线电压平衡为控制目标,提出了一种MMC中性点移位控制(NPSC)容错控制策略。其通过修正故障后各相调制波控制中性点在故障相的相电压矢量方向上进行移位,在完成子模块故障容错运行的同时简化了传统中心点偏移控制算法的复杂程度,易于实现。同时,文中分析了NPSC下对MMC系统运行的影响,指出了该种控制方式下桥臂电流工频分量与直流分量的分配特性。最后,通过仿真与实验进行验证,表明了理论分析与该容错控制策略的有效性。     

基于比例降阶准谐振的MMC环流抑制策略

模块化多电平换流器三相桥臂之间存在的数值较大的二次谐波电流即环流,不仅会影响换流器的稳定运行,同时增加了系统损耗。为抑制该环流,本文提出了一种基于比例降阶准谐振的MMC环流抑制器。首先借助二阶广义积分器检测并提取环流中的负序二倍频分量,再利用克拉克变换将三相环流变换到两相静止坐标,再利用降阶准谐振控制器实现对环流的无静差跟踪,得到参考电压修正量。该控制器能够快速精确地从环流分离出负序二倍频分量,且数字化实现简单。最后,在PSCAD/EMTDC搭建11电平MMC-HVDC仿真模型,验证了比例降阶准谐振控制器的有效性。     

基于附加电平MPC的MMC环流抑制与子模块双重均压控制

针对模块化多电平变换器的相间环流与子模块电压波动问题,提出了基于附加电平模型预测控制的环流抑制策略,利用附加的补偿电平实现总子模块数的实时更新,达到环流抑制目的;同时,将相间均压与相内子模块均衡作为子模块的第一重均压控制,再将所投入的子模块电压排序处理构成第二重均压控制。通过分析模块化多电平变换器的桥臂环流与桥臂电压之间的关系以及子模块电压波动的弊端,提出了环流抑制与子模块均压控制策略。最后,在Matlab/Simulink中搭建了31电平的模块化多电平变换器系统仿真模型,验证了所提策略的可行性与有效性。     

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。     

考虑桥臂参数不对称和子模块故障的MMC协同控制策略

近年来,模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）受到广泛关注并得到迅速发展,在实际工程中,MMC上、下桥臂参数不可避免地会存在不一致;另外,当MMC桥臂子模块因故障旁路时,会导致6个桥臂子模块数目的不对称,以上两种桥臂不对称现象,均会打破MMC内部原有的能量均衡,同时导致换流器阀侧电流出现直流和2倍频谐波,以及导致直流电流中出现基频和二倍频谐波等问题。为解决以上问题,该文考虑桥臂参数不对称和子模块数目不对称同时存在的复杂工况,提出了MMC协同控制策略,此策略在充分保留子模块电压保护裕度的前提下,即可抑制桥臂参数不对称导致的直流侧/交流侧谐波,又可抑制桥臂子模块数目不对称导致的谐波,有效的改善了MMC交直流输出外特性的性能。最后,搭建了双端MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析及所提策略的有效性。     

应用于MMC换流阀的新型子模块电容电压波动抑制策略

模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）的体积和建造成本主要受到子模块电容的限制。主动注入二倍频环流或者三次谐波电压是一种有效的降容方式,但已有的谐波注入策略大多采用离线查表的方式计算注入参数,当工况发生变化时,需要重新计算注入参数,不适用于工况频繁变化的场景,且对于二者同时注入的耦合效应尚缺少分析。为此,首先分析了二、三次谐波协同注入对子模块电容电压波动的影响,接着研究了其对MMC运行特性的影响并给出注入参数的约束条件。然后,基于对子模块电容电压波动的分析,给出了谐波协同注入参数的优化结果。最后,在PSCAD中搭建了双端MMC模型,对所提策略进行了仿真验证,结果表明谐波协同注入策略能够有效抑制子模块的电容电压波动。     

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。     

模块化多电平光伏并网逆变器的不对称容错控制策略

建立了容错控制时采取热备用形式下模块化多电平换流器(MMC)的平均开关模型。针对MMC子模块发生故障时剩余子模块不足以支撑直流母线电压导致逆变器不能继续运行的问题,提出一种只旁路故障子模块的新型容错策略,通过改变子模块电容电压值和载波移向角的方法,保证环流中的主要成分不改变,同时降低故障后逆变器并网电流的谐波畸变率,使MMC能够继续运行。改进了容错时的最大功率点跟踪控制环节,解决了容错时直流母线电压的恢复时间长的问题。利用MATLAB/Simulink搭建了MMC的仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。     

基于桥臂电流直接控制的模块化多电平换流器控制策略

提出一种基于桥臂电流直接控制的模块化多电平换流器控制策略,以实现对交流侧电流、直流侧电流以及内部环流的控制。通过理论分析,得到上、下桥臂传输功率与桥臂电流的关系;设计了上、下桥臂独立控制的内外环控制系统,分别对换流器三相桥臂电流进行dq变换,得到上、下桥臂各相电流的指令值;附加桥臂电流环流抑制器,以实现换流器有功、无功控制量闭环控制。在31电平柔性直流输电实验平台上对所提的控制策略进行验证,结果表明其具有精度较高、高效抑制换流器桥臂环流等优点。     

基于模型预测控制的模块化多电平变流器桥臂能量控制策略

已有模块化多电平变流器(MMC)控制策略大多采用单一子模块电容电压参考给定的控制方式,存在无法分别控制不同桥臂子模块电容电压等不足。提出一种基于模型预测控制的MMC桥臂能量控制策略,通过引入桥臂能量共模分量和差模分量控制,实现各桥臂子模块电容电压的灵活控制;同时,基于MMC的暂态数学模型设计相电流及环流模型预测控制器,并引入电流误差反馈滚动优化,有效地实现了外部相电流和内部环流的解耦控制,使环流控制器具有能灵活实现环流抑制和环流注入的特性,且对系统参数不敏感。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器电容电压与环流的控制策略

电容电压控制和环流的抑制一直是模块化多电平换流器(MMC)拓扑研究很重要的一方面,也是制约该拓扑应用于柔性高压直流输电(HVDC)领域的瓶颈。分析了模块化多电平换流器电容电压波动以及环流偶次谐波产生的机理。在排序均压的载波移相调制(CPS-SPWM)策略的基础上,附加了电容电压均衡控制,以抑制电容电压的波动。同时介绍了一种闭环的谐振环流控制器,实现对环流交流成分的抑制。该控制策略结构简单,且适用于单相系统。仿真结果表明,采用上述的控制方法,电容电压的波动和环流都得到很好的抑制,动态结果也很好。     

基于MMC拓扑的有源滤波器控制策略研究

为提高大容量有源滤波器(APF)的耐压水平和等效开关频率,提出了一种基于模块化多电平(MMC)的有源滤波器控制方法。该控制方法对APF输出的基波电流采用间接电流方式实现有功和无功的解耦控制,采用基于正序基波提取器的预测谐波电流控制实现对谐波电流的补偿,然后将间接电流方式和预测谐波电流控制方式产生的电压信号作为有APF输出电压的参考值。同时,为克服传统载波相移脉宽调制方式均压控制环节PI控制器繁多的缺点,对载波相移脉宽调制方式做了改进,采用载波相移脉宽调制和电容电压排序均压控制相结合的调制方式。通过Matlab/Simulink对其进行了仿真验证,该控制方法是正确可行的。     

基于优化控制集的模块化多电平变换器模型预测控制方法

为了解决模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converters, MMC)现有模型预测控制方法寻优计算量大的问题,以上、下桥臂插入个数为控制变量,以并网电流和桥臂环流为控制目标,提出基于优化控制集的模型预测控制新方法。在子模块电容电压理想状态下建立并网电流误差目标函数,通过初步预测寻优,确定上、下桥臂电压矢量准确工作区间。考虑子模块电容电压波动,设计上、下桥臂插入个数优化控制集,求取电压矢量区间内最优上、下桥臂插入子模块个数。同时设置自适应调节因子,可根据子模块电压波动幅度自动调整优化控制集边界条件,确保有限寻优次数内最优上、下桥臂插入子模块个数的准确求取。所提出的控制策略寻优计算量从(N+1)2降至(N+1+Ntotal),实现了桥臂环流的有效抑制和并网电流的准确跟踪,避免了全局寻优的大量冗余计算,有效提升了寻优效率与准确度。仿真与实验结果验证了优化控制集模型预测控制方法具有计算量小、动态响应快和稳态精度高的特点。     

模块化多电平换流器的交直流侧阻抗模型

模块化多电平换流器(MMC)的阻抗建模是分析基于MMC的电力电子系统交、直流侧谐振及稳定性的基础条件。依据MMC的拓扑结构、运行及控制特性,同时考虑环流控制对MMC交、直流侧阻抗的影响,分别推导了MMC直流侧和交流侧的小信号阻抗解析模型。利用MATLAB/Simulink搭建了三相MMC详细时域仿真模型,采用注入小扰动电压/电流的方法测量MMC交、直流侧的小信号阻抗,与推导的MMC交、直流侧阻抗解析模型的计算结果比较,验证了解析模型的正确性。MMC阻抗模型仿真结果表明:在不加环流控制的情况下,MMC交流侧的小信号阻抗在低频范围内存在谐振峰;而加入环流控制后,该谐振峰能够得到有效抑制。     

直流故障下基于交流侧馈能的MMC换流站主动限流策略

模块化多电平换流器(modular multi-level converter, MMC)直流侧发生接地短路时,故障电流具有上升快、峰值高的特点。为减小断路器开断应力,从能量角度出发,对子模块和桥臂动态过程进行分析,建立考虑交流侧功率影响的直流故障下MMC等效放电模型,推导出了故障电流表达式。提出一种基于交流侧馈能的主动限流策略,通过引入前馈控制,对含物理限流电阻的控制框图进行变换,等效增大直流侧限流电阻。并对其参数进行整定,进而将故障时电容部分能量馈入交流侧,达到了降低故障时电流上升率和电流峰值的目的。该控制方式不仅抑制交流侧电源向故障点放电,而且减小了直流电容向故障点的放电电流。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了四端环状MMC输电网模型,验证了所提方案的可行性。