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.     

基于双SVPWM的MMC电容电压平衡控制研究

针对模块化多电平变换器(MMC)系统中存在的桥臂电压和子模块(SM)电容电压平衡问题,设计了一种基于双空间矢量脉宽调制(SVPWM)的MMC电容电压平衡控制策略。分别设置了两组SVPWM对三相MMC上、下桥臂独立控制,并结合使用冗余开关矢量实现了SM电容电压平衡。同时设计了SM外部电容电压平衡方法,以最小化计算负担。在SM选择过程中使用了负载电流的方向而非桥臂SM电流,降低了电流传感器数量。利用MMC试验平台对基于双SVPWM的MMC电容电压平衡控制方案进行了测试。研究结果表明,新型控制方案能有效平衡MMC电容电压。     

基于桥臂电流控制的模块化多电平变换器综合控制策略

通过分析模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)各部分之间的功率关系,提出一种MMC综合控制方案,包括直流母线电压控制和桥臂电容电压控制。该方案内环采用桥臂电流直接反馈控制,可实现交流侧电流、直流母线电流和内部环流的三重控制,不需要专门的环流控制器。该方案各桥臂电容电压控制基本相互独立,易于实现分布式控制。提出一种电流前馈控制方案,能有效减小电容电压的动态波动,提高动态响应速度。搭建了10 k VA三相MMC实验样机,实验结果验证了所提控制方案的可行性和有效性,并具有优良的动静态特性。     

基于分级控制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

子模块电容电压的平衡关乎模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)能否安全稳定工作。根据MMC结构特点,将MMC电容电压的平衡划分为相间电容电压平衡和相内电容电压平衡2部分,并基于此划分提出一种基于分级控制的MMC子模块电容电压平衡方法：首先分析MMC相间电容电压平衡控制,在对MMC各相子模块电容电压平均值进行独立控制的基础上,实现相间电容电压平衡;然后,分析MMC子模块电容电压波动规律,通过对各桥臂调制波叠加平衡控制量,实现单相内部上、下桥臂间电容电压平衡和桥臂内子模块间电容电压平衡;最后,对所提控制策略在PSCAD/EMTDC软件中进行仿真验证。仿真结果表明该方法正确、有效,有利于MMC的电压稳定和安全运行。     

单相交/交MMC的简化模型及电容电压平衡

单相AC/AC模块化多电平(MMC)可以直接连接于25 k V的牵引供电网,无需笨重的50 Hz工频变压器,极大地减小了整个系统的体积以及成本。MMC的子模块(SM)电容电压平衡仍然是一个主要的技术问题,为此,提出了一种桥臂内和桥臂间电容电压平衡的方法。所提出的桥臂内电压平衡方法结合了传统载波移相脉宽调制(CPSPWM)和载波层叠脉宽调制(PDPWM)下电压平衡法的优点,桥臂内子模块电容电压平衡只需要2个比例调节器,极大地减小了控制系统的计算量;提出的桥臂间电压平衡通过连接上下桥臂的功率通道实现,避免了与输入/输出电压和电流的相互影响,解决了传统桥臂间电容电压平衡法中共模电流注入电网的问题。同时,建立了MMC的简化数学模型,该模型可以被看作背靠背的PWM变换器,并且清晰地揭示了功率流向。最后,仿真和实验证实了所提出电压平衡法的有效性以及数学模型的正确性。     

基于MMC模块化多电平STATCOM的环流抑制均压控制策略研究

笔者对模块化多电平换流器(MMC)的运行特点进行分析研究,推导了基于MMC的静止无功补偿器(STATCOM)的数学模型。研究表明通过控制MMC桥臂的相内电流icirj可以实现对每个桥臂内电容总能量的控制,使MMC桥臂电容电压平衡。基于此理论,文中提出了一种带相内电流抑制控制器的均压控制方法,调制策略采用改进的载波移相调制策略(carrier phase shifted SPWM,CPS-SPWM),并在此基础上设计了基于MMC模块化多电平STATCOM的整体控制方案。仿真结果表明了文中理论分析的正确性和控制策略的有效性。     

电网电压不对称工况下模块化多电平变换器控制策略

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)各部分之间的功率关系,提出一种适用于电网电压不对称工况的MMC综合控制策略,包括直流母线电压控制、桥臂电容电压控制和交流侧电流控制。其中,桥臂电容电压采用层次化方法控制,在电网电压不对称时,通过调整直流母线功率在MMC三相桥臂间的分配,实现交流侧电流对称。内环采用桥臂电流直接反馈控制,可实现交流侧电流、直流母线电流和环流的三重控制,在电网电压不对称时无需交流侧三序电流控制器以及三序环流控制器。提出通过在桥臂电流参考值中添加零序电流抑制器,消除由桥臂不对称损耗引入直流母线的基频零序电流。搭建了10k VA三相MMC实验样机,实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

桥臂参数不对称MMC的运行与控制

实际工程中,模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)上、下桥臂参数不可避免地会存在一定的差异,从而导致交流侧电流中出现直流和2倍频分量,直流侧电流中出现基频和2倍频振荡分量,以及不同桥臂间电容电压发生不平衡等一系列问题。为解决这些问题,建立了桥臂参数不对称情况下MMC的解耦控制模型,提出了桥臂电流直接控制策略,有效地改善了参数不对称下MMC的电流控制问题。同时,基于子模块级联串能量模型,提出一种有功环流和无功环流相结合的环流注入方法,在实现上、下桥臂电容电压平衡的同时,确保MMC的端口特性不受内部环流的影响。最后,仿真和实验结果验证了理论分析和所提控制策略的有效性。     

载波移相PWM调制下的MMC电压平衡控制策略

模块化多电平变换器(MMC)具有模块化,标准化和提高电能质量的优点,在大功率电能变换领域具有较大吸引力,但MMC应用的技术难点之一为电容电压的平衡控制。为此,提出了一种载波移相脉宽调制(PWM)下的MMC电压平衡控制策略。新型电压平衡方案中无需对桥臂电流进行测量,而使用线性化方法设置脉冲,以控制电容电荷转移来平衡MMC中的电容器上电压。电压平衡算法将在每个载波周期内运用,降低了计算负担。最后,进行了仿真研究,并搭建MMC原理样机开展了试验研究,仿真和试验结果验证了新型MMC电压平衡方法的有效性。     

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。     

基于混合谐波与附属电压的MMC变频运行方法

针对模块化多电平变流器(MMC)在变频运行状态下子模块电容电压存在剧烈脉动、桥臂电流以及输出电流出现严重畸变的问题,提出一种基于混合谐波注入与附属电压能量控制的MMC变频运行控制策略。该策略从MMC桥臂能量出发,通过将注入混合谐波的高频共模环流与方波高频共模电压相结合,抑制子模块电容电压脉动并降低桥臂电流开关应力和系统损耗。同时,还引入了附属电压能量控制,实现了三相桥臂能量的均衡控制,简化了额外的环流控制器,改善系统的稳定性。最后通过实验验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于环流注入的MMC电容电压平衡控制策略

针对模块化多电平变换器(MMC)存在的电容电压在不同工况下易出现波动的问题,设计了一种基于环流注入的MMC电容电压平衡控制策略,其中环流参考是基于桥臂电流瞬时值和对应调制信号获得的。相对于传统环流注入方案,新方案不需要确定输出电流的幅值和相位,具有一定的优势。此外,电容电压平衡控制方案中还设计了能够跟踪环流参考的闭环控制器。最后,搭建了5 kV·A级MMC样机开展了相关试验,试验结果验证了新型电容电压控制器的效果。     

基于电容电压精确计算的MMC环流抑制方法

在MMC的阀级控制中,传统的子模块计算方法通常忽略了电容电压瞬时值的波动而直接以稳态平均值为基准来计算相应时刻的投入子模块数.这种近似的计算方法使桥臂中的实际投入子模块数与系统期望子模块数之间存在一定的偏差,从而引起桥臂电压与系统期望电压之间的偏差.此时,整个MMC系统为了实现电压与能量的平衡,便会产生桥臂环流的交流分量并通过桥臂电感补偿上述不平衡电压.桥臂环流的交流分量虽然只存在于MMC的内部并不影响MMC的外部输出特性,但其出现增加了MMC的桥臂电流有效值、开关电流应力、功率损耗以及波动,降低了MMC的性能,因此实际应用中通常需要对其进行抑制.鉴于此,在不增加硬件设备、测量环节以及附加控制器的前提下,从阀级控制系统中的子模块投入数目计算环节入手,提出了一种基于对MMC桥臂子模块电容电压精确计算的环流交流分量抑制方法.该方法工程实现简单,不依赖于任何调制策略,适用于任意相的MMC换流器,在实现环流抑制、提高MMC稳定可靠性的同时具有良好的应用经济性.基于Matlab/Simulink的模型验证了所提方法的正确性与有效性.     

基于模块化多电平的光伏逆变器仿真

针对大规模太阳能发电厂并网系统,采用模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)设计三相光伏并网逆变器,满足多组太阳能电池板组成的阵列接入电网的要求.详细研究了MMC光伏并网逆变器触发方式及电容电压平衡策略.介绍了基于MMC的光伏发电系统结构,并建立其直流回路方程,提出利用多组三角载波与参考波比较生成触发脉冲,同时根据电容电压进行排序,再将触发脉冲依次分配给各桥臂子模块,保证同一桥臂内各模块电容电压瞬时值相等.详细分析了桥臂电容电压周期性、波动性,采用双闭环比例调节器控制电容电压跟踪给定,明显减小了各桥臂电容电压波动范围,提高了一致性和系统输出波形质量.最后,利用MATLAB对所提出的触发方式、电容电压平衡策略及基于MMC结构的光伏系统进行了仿真验证,输出电流波形平滑且具有较高的动态响应性能.仿真结果表明所采用方法正确、有效.     

基于单星MMC的新型STATCOM及其控制策略

通过分析基于级联半桥子模块双星形结构的模块化多电平变换器(MMC)拓扑,提出了一种基于单星形MMC的静止同步补偿器(STATCOM)拓扑结构,并与级联H桥STATCOM等拓扑进行了比较。该拓扑只采用双星MMC的一半,比级联H桥星形STATCOM节省13.4%的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。采用电流直接控制策略,给出了单星MMC-STATCOM的电容电压多层次控制方案及一种相间电容电压平衡控制改进方案,该方案不需要对零序电压注入量进行复杂计算。此外,还搭建了10kVA实验样机。仿真和实验结果表明,所提的单星MMC-STATCOM具有优良的动静态特性,验证了所提控制方案的可行性和有效性。     

电网不平衡下MMC多变量保护控制器参数设计研究

电网不平衡不仅会导致模块化多电平变流器(multimodular converter,MMC)网侧电流波形质量变差,还会引起桥臂电压不平衡、桥臂环流增加等一系列问题。为避免MMC系统发生过电压或过电流的安全问题,考虑交流侧最大工作电流、桥臂最大电容电压纹波以及最大注入无功三个方面的工作条件限制,分别从理论角度推导出多变量保护控制算法下控制参数k的计算公式。首先分析了MMC系统电流方程、电压方程以及能量的动态方程。基于上述系统方程,考虑MMC系统允许的工作范围如交流侧最大工作电流、桥臂最大电容电压纹波以及最大注入无功三个方面,详细给出了参数k的设计原则和流程。最后,利用实时仿真平台和MMC样机对理论计算给出了仿真和实验验证结果。     

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。     

三相电网不平衡下MMC多变量保护控制策略及系统运行性能研究

对于模块化多电平变流器(multi-modular converter,MMC)变换器,电网不平衡不仅会导致变流器网侧电流波形质量变差、系统瞬时有功功率和无功功率纹波增加,还会引起桥臂环流增加、桥臂电压以及上下桥臂中点电位的不平衡问题。该文分析了灵活的多变量保护控制策略控制参数k对系统的影响,并给出了参数k和交流网侧电流质量、桥臂电流、桥臂电压纹波以及上下桥臂电容电压差多个控制变量的关系式。文中首先描述了MMC系统电流方程、电压方程以及能量的动态方程。基于上述系统方程,重点分析了多变量保护控制算法控制参数k对MMC运行状态的影响。为避免过电压或过电流问题估算出电网故障时系统传输的最大有功功率。最后利用实时仿真平台对该方法及理论分析进行了仿真验证。针对4组控制参数k进行仿真,其结果和理论分析一致。     

模块化多电平矩阵变换器输入输出频率相近时低频运行控制策略

提出了一种模块化多电平矩阵变换器(M3C)输入输出频率相近时的低频运行控制策略。方案采用桥臂电流反馈控制,实现输入输出侧电流和内部环流的三重控制,并约束内部环流不影响输入输出侧;电压外环采用层次化电容电压控制策略,包括M3C总电容电压控制、输入输出侧相间平衡控制以及桥臂间平衡控制,其中桥臂间平衡控制通过叠加高频环流及零序电压实现,并引入PR控制器实现差频纹波的闭环抑制。该方案适用于输入输出侧频率相同的特例工况。通过OPAL-Rtlab半实物实验验证了该方案的可行性和有效性,以及优良的动静态特性。     

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.