双半桥与并联全桥子模块混合MMC均压与直流故障控制研究

子模块混合型模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter HVDC,MMC-HVDC)兼具直流故障穿越能力和较好的经济性,然而当子模块数目众多时,面临控制器排序均压计算量大和传感器实时性要求高等问题。该文针对由双半桥子模块和并联全桥子模块构成的新型混合MMC,分析其并联均压特性,在此基础上提出新型混合MMC的阀段间和阀段内均压控制策略;通过分析子模块闭锁特性,设计直流故障控制策略。在PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果表明,采用所提均压控制策略可在有效降低对控制器性能和传感器精度要求的前提下,实现新型混合MMC子模块电容电压全局良好均衡,并验证了直流故障穿越控制策略的有效性。     

具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块：移位全桥子模块（OCFBSM）。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。     

一种能够清除直流故障和减少传感器数量的MMC子模块及其特性研究

针对模块化多电平换流器(MMC)的直流故障清除问题,提出了一种新型的局部自均压组合电容型子模块。该子模块的拓扑结构具备故障自清除能力,并且能够利用不同工作模式的投切,自动实现子模块内部电容电压的均衡,即每一个新型子模块只需一个电压传感器对其进行监控。利用MATLAB/Simulink对基于新型子模块的MMC在正常状态和直流侧短路故障状态进行仿真,仿真结果表明相比于传统的N电平m相半桥型MMC需要2m(N-1)个电压传感器和2m个电流传感器,所提出的基于新型子模块的MMC所需电压传感器的数量以及参与控制的电压信号数量均减少一半,降低了系统硬件成本,减少了控制器运算负担,提高了系统稳定性;同时,当系统发生直流侧短路故障时,由于子模块具备故障自清除能力,能够阻断交流系统与故障点的电流通路,实现直流故障的闭锁。     

模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析

新型模块化多电平换流器(MMC)在直流输电和电能变换领域得到了广泛的研究与应用。但是,由于子模块采用了半桥型拓扑,在直流侧线路故障时,MMC不具有直流故障自清除能力。文中在不改变现有MMC调制和均压策略的前提下,利用续流二极管反向阻断特性和桥臂模块电容充电效应,设计了改进复合拓扑结构,解决了半桥拓扑中电容单向充电问题。通过分析闭锁时储能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系,定义了反映子模块故障抑制能力的电流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同,设计了自励启动方法。仿真结果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。     

一种具备直流故障清除能力的新型MMC子模块拓扑

当基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流线路发生短路故障时,传统半桥子模块存在无法通过闭锁阻断直流故障电流的问题.对此,提出一种具备直流故障清除能力的基于半桥的五电平新型子模块(FLHBSM)拓扑.FLHBSM与传统半桥子模块具有相同的控制结构,并具备了直流故障清除能力.相比其他具备...     

二极管钳位型MMC电路的均压控制策略

为解决传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)均压系统中直流电压传感器较多、控制电路复杂的问题,将二极管钳位拓扑应用到MMC中,并提出了适用于该拓扑的电容电压均衡控制方法。该拓扑通过在各子模块电容正极加装钳位二极管,为直流电容提供单向钳位通路,从而实现MMC各桥臂子模块电容电压从上到下依次减小,简化了系统电路及其控制方法。最后,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了11电平二极管钳位型M M C拓扑仿真模型,结果表明该拓扑具有电容电压自排序功能,电容电压均衡效果良好。     

并联全桥子模块MMC直流故障抑制性能仿真分析

基于并联全桥子模块(P-FBSM)的模块化多电平换流器(MMC)因具备良好的自均压能力和电流通流能力在高电平应用领域得到重视。目前针对P-FBSM-MMC的研究侧重于其自均压特性,而对直流故障阻断机理分析较少。文章为研究P-FBSM-MMC系统在发生直流侧双极短路情况下的故障电流抑制能力和恢复能力,首先分析PFBSM-MMC在发生直流侧双极短路故障时的故障电流通路,然后利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建21电平PFBSM-MMC和半桥子模块(MMC)仿真模型,分析了P-FBSM-MMC在直流侧双极短路故障情况下的故障电流、直流侧电压以及故障恢复能力。通过与HBSM-MMC仿真结果对比验证得出结论:P-FBSM-MMC在发生直流侧双极短路故障情况下通过闭锁所有IGBT能够有效抑制故障电流,且直流电压能在解锁IGBT后的较短时间内恢复到额定值,对未来P-FBSM-MMC的研究有较大参考价值。     

MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制

当模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统子模块发生故障时,上、下桥臂处于不对称运行状态,此时会导致上、下桥臂子模块输出电压之和不均衡,造成换流器内部环流不仅含有二倍频负序分量,还增加了基频分量,导致直流侧电流波动。基于MMC桥臂子模块不对称运行时平均开关函数,阐述了上下桥臂子模块数目不对称运行时子模块数量不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和,以及桥臂电流基频分量与桥臂正常运行子模块数量、环流直流分量和二倍频分量之间的关系。提出一种MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制策略,在实现交流电流跟踪、子模块电容电压均衡的同时,可以实现故障时对环流基频和二倍频成分的抑制,使正常运行子模块电压维持在给定值附近,维持直流侧电流稳定。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

模块化多电平换流器子模块拓扑设计及其控制

根据直流故障电流切断位置不同,首先分析基于交流断路器、直流断路器和模块化多电平换流器子模块拓扑的3种故障抑制技术方案及其特点。然后从切断故障电流角度出发,利用双向可控开关对半桥拓扑进行改进设计以抑制直流故障,并与传统半桥子模块相结合构成混合双子模块拓扑以降低单位电平成本和运行损耗。同时研究在闭锁期间混合双子模块内部电容不均衡充电所导致的电容电压不平衡问题及其应对策略。最后在PSCAD/EMTDC中搭建两端仿真模型,对混合双子模块拓扑直流故障抑制特性及电容电压控制策略进行仿真验证。     

基于CPS-SPWM调制方法的MMC-HVDC输电系统冗余保护策略研究

子模块故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统最常见故障之一。为保证子模块故障后MMC-HVDC系统能够稳定工作,本文首先对子模块故障后桥臂电流、桥臂间环流及直流侧电流的影响进行数学分析,确定了MMC子模块容错方案;然后将子模块冗余控制与带有电容均压控制和环流抑制控制的载波相移脉宽调制(CPS-SPWM)方法相结合,设计了基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略;最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端10电平的MMCHVDC输电系统模型。通过对模型进行稳态仿真以及子模块故障时的暂态对比仿真,验证了本文所提出的冗余保护策略的正确性和有效性。     

基于新型子模块的MMC实验系统设计

提出一种新型子模块拓扑,该子模块不仅具备直流故障电流阻断能力,同时还具备内部电容之间的自均压能力。对于同等电平输出的不同子模块拓扑,该子模块仅需一半的电容电压测量装置,不仅降低了应用成本,还减轻了控制器排序算法压力。实验结果表明,该子模块能够快速清除直流侧故障电流,同时在正常及故障工况下,该子模块内部电容电压都能保持较好的均衡。     

具备阻断直流故障电流能力的MMC钳位双电容子模块

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是柔性直流输配电领域的优选拓扑之一,但其传统半桥子模块(half-bridgesubmodule,HBSM)不具备阻断直流故障电流的能力。为此,推导了一种基于双向开关的钳位双电容子模块(clamp dual capacitor submodule,CDCSM),该子模块包含两个电容,能够输出3个电平,通过将电容引入故障回路可实现对故障电流的快速阻断。与其他能够阻断直流故障电流的子模块相比,CDCSM具有一定的成本优势,且运行损耗较低。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,CDCSM-MMC可快速阻断直流故障电流,且故障后电容电压较为均衡,有利于MMC的快速重启。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

基于改进的子模块电容电压均衡的MMC环流抑制

模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)应用于电压等级较高的工程,含电容电压波动的子模块数量大,传统排序算法的排序复杂度高、运量算大,且开关频率较高,难以满足实际工程需求。首先,分析均压原理,采用分组直接插入排序能较好地保持电容电压均衡。然后,分析MMC环流机理,推导出通过改变每相投入的模块总数,可以抑制环流。在此基础上,通过计算支撑直流侧电压的子模块数和抑制环流所需模块轮换数,得到需要改变状态的模块数,实现MMC的低开关频率、均压和环流抑制效果。最后,仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性。     

新型MMC电容电压均衡控制策略

模块化多电平变换器(MMC)的子模块电容电压均衡问题是工程应用急需解决的难点之一。传统排序均压控制算法,存在需多个电流传感器的问题,推导了桥臂电流与相电流的关系,分别针对电压型与电流型调制策略提出了两种新的子模块电容电压均衡控制策略。该方法不仅降低了电流传感器的数目,而且能有效维持子模块电容电压的稳定,适用于多种调制策略。最后,通过搭建5电平的MMC实验平台,对提出的控制策略进行了验证,实验结果证明了提出的子模块稳压控制策略的正确性和有效性。     

不对称交流电网下MMC-HVDC系统的控制策略

在MMC-HVDC系统中,交流电网不对称会导致MMC换流器交流侧电流不平衡、直流侧出现较大的2倍频电流和电压波动等问题。为解决这些问题,该文建立不对称交流电网下MMC-HVDC系统的数学模型,提出一种带有前馈补偿的交流电流、桥臂环流和直流电流的解耦控制策略及子模块电容电压和直流电压的平衡控制策略,避免了由交流电网不对称引起的功率振荡传播到直流系统,抑制了直流侧电流和电压波动,使得MMC在交、直流系统间起到了"防火墙"的作用。同时,改善了换流器直流侧电流、交流侧电流、子模块电容电压和直流电压控制的暂态性能。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。     

双极MMC-HVDC系统直流故障特性研究

直流故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)的主要故障类型,目前国内外对于MMC-HVDC直流侧故障的研究主要集中于伪双极系统,而对于真双极系统直流侧故障的研究还处于起步阶段。首先,介绍真双极MMC的拓扑结构和工作原理,并根据实际交直流系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制,建立真、伪双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流故障状态下的对应等效电路。然后,对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径,重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异,并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系。最后,基于RT-LAB仿真平台,搭建51电平双极MMCHVDC双端直流输电模型,仿真结果证明了直流故障特性研究方法的正确性。     

具备自均压能力的模块化多电平换流器拓扑

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中的子模块电容相互独立,电容电压的均衡完全依赖于均压控制,而均压控制的复杂程度又直接取决于MMC子模块数目,随着子模块数目的增加,均压控制对计算量和数据采集速度、精度的要求日趋严苛,由此带来了一系列子模块电容均压问题。为解决该问题,该文提出一种具备自均压能力的MMC拓扑,在保留MMC模块化特性的同时,在任意相邻子模块电容间增加了辅助均压回路,使得MMC在子模块投切过程中自发地实现电容电压的均衡。该文介绍所提出新型MMC拓扑的均压原理、调制策略、参数和阻尼电阻设计方法,并提出电容电压波动程度指标和集中程度指标,用于评估新型拓扑与传统半桥MMC拓扑的均压效果,通过PSCAD/EMTDC下的仿真结果验证所提出新型自均压拓扑和调制策略的有效性。     

具备故障电流对称清除能力的双向开关钳位式全桥子模块

实现对直流侧故障的快速隔离与穿越是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流输电系统亟需解决的问题。在对现有子模块进行归纳与改进的基础上,提出了一种双向开关钳位式全桥子模块(bidirectional switch clamped full bridge sub-module,BCFSM),该子模块具备直流短路故障电流对称清除能力,闭锁后可引导故障电流对桥臂内所有电容进行串联充电,从而快速清除故障电流并保证闭锁期间桥臂内电容电压的均衡。同时,由于双向开关兼具钳位与旁路通道作用,与其他具备故障穿越能力的子模块相比,BCFSM具有良好的经济性。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,BCFSM-MMC可快速清除直流短路故障电流,且能够快速重启,具有高直流故障穿越可靠性的同时降低了换流站的建造与运行成本。     

一种新型的MMC直流故障保护三电平子模块拓扑

MMC的直流短路故障保护直接关系到其在柔性直流输电和直流电网领域的应用。提出一种无需任何附加保护功率器件的具备直流故障清除能力的三电平子模块拓扑。该拓扑利用子模块电容电压来关断续流二极管,从而快速地清除直流短路电流。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了该子模块拓扑的直流故障保护能力。