混合式MMC及其直流故障穿越策略优化

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于大容量架空线输电系统是柔性直流输电技术的研究热点,直流故障的处理是研究的难点。针对一种整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC)、逆变侧采用混合式模块化多电平换流器的混合直流输电系统,重点研究混合式MMC的优化设计、过调制及直流故障穿越问题。推导在满足低直流电压过调制运行、直流故障穿越和子模块电容电压平衡条件下其全桥子模块(full bridge sub-module,FBSM)和半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)的数目配置要求。并提出混合式MMC直流故障穿越的优化控制策略,可以更好地平衡子模块电容电压,且在直流故障期间仍可保持对交流系统的无功功率补偿。最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立该混合直流输电系统模型,对直流故障穿越和过调制运行进行仿真研究,结果证明优化策略的有效性。     

具有直流故障自清除能力的新型MMC子模块及其混合拓扑

针对传统半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)在高压大功率领域不能通过换流器自身控制来实现直流故障的阻断问题,提出一种新型的类半桥型(Similarity Half Bridge Sub-Module,SHBSM)子模块拓扑结构。直流侧发生极间短路故障时,需同时闭锁所有IGBT脉冲信号。为降低IGBT触发一致技术要求,进一步提出一种类半桥-半桥混合型子模块,无需所有IGBT同时闭锁。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的类半桥型子模块,类半桥-半桥混合型子模块MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。相比于传统半桥型子模块MMC,类半桥型子模块MMC以及半桥-半桥混合型子模块MMC均无需增加IGBT的投入,即可以实现对直流侧故障电流的有效阻断,因此,具有较好的应用前景。     

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。     

基于新型四电平子模块拓扑的多电平整流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)基于其模块化的结构,能够在较低的开关频率下输出更高电压电平数来逼近正弦波形,使得其在高压大功率直流输电系统应用背景下比传统电压源换流器更可行。传统MMC子模块可以输出0、1两种电平,而本文提出了一种能够输出0、1、2、3四种电平的新型子模块拓扑结构,在换流器需要达到相同输出电平数的条件下,基于新型子模块的MMC级联子模块数量仅仅为基于半桥子模块MMC的2/3,能够可观的减小换流站体积。同时,IGBT开关数量相比半桥子模块MMC系统减少了1/6。在Matlab/Simulink中将最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略及改进的电容电压均衡策略应用于新型子模块拓扑,仿真结果验证了其有效性。     

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。     

三种MMC-HVDC直流故障处理方法下电力系统暂态稳定性分析

首先介绍在远距离大容量输电场合,3种基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)拓扑及其处理直流故障的方法:基于半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)的HMMC-HVDC跳换流站交流侧断路器,基于箝位双子模块(clamp double sub-module,CDSM)的CMMCHVDC通过换流器控制实现直流侧故障自清除,以及基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和MMC的混合拓扑在MMC直流出口处加装大功率二极管(LCC-D-MMC-HVDC)。然后,在由MMC-HVDC和交流线路构成的交直流并列简化系统中,基于等面积法则,对上述3种直流故障处理方法的暂态过程进行理论分析,并提出评价指标。最后通过仿真验证了分析结果。     

基于MMC的高压直流三极输电技术

在借鉴传统高压直流三极输电和模块化多电平换流器型直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)的基础上,提出基于MMC的高压直流三极输电技术。该技术采用五电平子模块来满足极3直流电压极性和直流电流方向周期性变化的要求。首先分析了五电平子模块的工作模式和闭锁后故障等值电路,而后分析了基于MMC的高压直流三极输电的电流调制策略,设计了MMC相应的控制策略。最后基于PSCAD/EMTDC搭建了基于MMC的高压直流三极输电系统,仿真算例结果验证了该系统的可行性。     

基于RTDS的模块化多电平换流器子模块等效模型

采用模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电是目前最具前景的直流输电方式。MMC系统需要大量的子模块串联,这给实时仿真带来巨大挑战。文中在实时数字仿真仪(RTDS)中采用CBuilder建立了自定义子模块rtds_SM,不仅能够减少RTDS仿真中MMC子模块的占用资源,还能解决已有的MMC封装模块不能用于研究MMC系统子模块发生故障的特性及其控制保护策略的问题。对子模块中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、反并联二极管、电容进行建模,实现了用于子模块控制和保护的旁路开关以及旁路晶闸管模型。所建立的rtds_SM具有8个输入和2个输出,能反映子模块的各种运行工况以及子模块的电容均压控制。仿真结果表明,提出的MMC子模块模型占用仿真资源小且仿真精度高。     

采用质因子分解法的模块化多电平换流器电容电压平衡优化算法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)子模块电容均压问题,是MMC型高压直流输电系统稳定运行的关键。当桥臂子模块数过多时,采用传统的排序均压算法将使电容电压排序运算量过大,这对控制器的硬件设计带来巨大挑战。针对传统均压算法的问题,提出了一种改进的电容电压平衡方法,通过对子模块分组,减少了电容电压排序运算量,同时采用一种组间电压平衡算法,解决了各组间电压不平衡问题。在此基础上,类比整数质因子分解思想进一步优化,得到电容电压平衡分组排序的最优化方法。在实时数字仿真器RT-L ab中搭建了模块化多电平换流器直流输电系统(modular multilevel converter high voltage direct current,MMC-HVDC)模型进行仿真验证,仿真结果表明,改进方法及最优化方法能在维持子模块电容电压平衡的同时,大大提高仿真计算速度,从而验证了所提出方法的有效性和可行性。     

LCC-MMC型混合直流输电系统小干扰稳定性研究

该文建立LCC-MMC型混合直流输电系统的小干扰动态模型,其中整流侧为电网换相换流器(linecommutatedconverter,LCC),逆变侧为模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC),通过对比小干扰动态模型计算结果与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果,验证所建立模型的准确性。采用特征根分析法,研究了控制系统参数、MMC换流站子模块电容和桥臂电感对混合直流输电系统小干扰稳定性的影响。结果表明,控制系统参数对混合直流输电系统的小干扰稳定性有较大影响;MMC换流站子模块电容和桥臂电感的增加会降低混合直流输电系统的稳定性,甚至引起系统小干扰不稳定。     

基于等效电导率的压接型IGBT器件温度场仿真

压接型封装全控器件由于其具有无焊点、无引线、双面散热的特点,逐渐在大容量换流器中得到了广泛的应用,其可靠性以及寿命预测也引起了学术界和工业界的关注。本文提出了一种基于等效电导率的压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件温度场有限元仿真方法,直接反映了压接型IGBT器件内部芯片发热功率随温度变化的特性,进一步提高了温度场仿真的准确性,为模块可靠性分析和寿命预测建立了仿真计算基础。此外,对某型号压接型IGBT器件进行MMC工况下的温度场仿真,得到了该工况下模块内部温度分布情况。     

混合背靠背模块化多电平变换器设计

近年来模块化多电平变换器在直流输电和电机驱动领域引起了广泛的关注。然而在电机驱动领域,输出低频时电容电压波动大的问题限制了其应用。提出了一种混合背靠背MMC拓扑,整流侧MMC采用全桥子模块和半桥子模块混合的结构,逆变侧MMC全部采用半桥子模块。分析了采用变直流母线电压的方法时电容电压的波动规律,并给出了系统的控制策略。电机在很大的转速范围内,电容电压波动基本恒定。最后,通过仿真验证了该拓扑结构及其控制策略的有效性。     

特高压柔性直流阀组投入过程中混合型MMC启动充电策略

在基于两个阀组串联构成一极的特高压柔性直流输电系统主接线方案中,为了实现混合型模块化多电平换流器(MMC)阀组的在线投入并简化其操作流程,混合型MMC需具备在直流侧短接情况下完成启动充电的能力。首先分析了直流侧短接时混合型MMC在不控充电阶段的工作原理,发现该阶段所有半桥子模块始终处于旁路状态,其自取能电源无法启动。为解决这一问题,提出了一种基于负向电流支路部分子模块切出的可控充电控制策略。该方法不仅可保证半桥子模块电容能够串入回路中进行充电,而且可维持子模块间的电压均衡,并最终将其电容充电到额定电压附近。最后,在仿真模型以及实验样机上验证了所提策略的有效性以及性能分析的正确性。     

柔直换流阀用压接式IGBT器件物理场建模及内部压强分析

压接式IGBT器件是柔性直流换流阀的核心,器件内部压强分布直接影响器件及系统可靠性,而内部压强又受各种材料及复合应力相互耦合作用,针对不同应力耦合效果及其对内部压强的影响,进行压接式IGBT器件物理场模型仿真以及器件内部最大压强分布趋势的研究。首先,基于3.3 kV/50 A压接式IGBT器件实际结构,建立了多物理场模型,分析了机械、机-热和机-热-电不同耦合模型下器件内部压强分布的差异,并获取了器件承受内部最大压强的薄弱环节及各种内部应力作用的耦合效果。然后,基于机-热-电耦合模型,分析了不同环境温度、外部压力、导通电流对压接式IGBT器件内部薄弱层最大压强及性能的影响。最后,建立了压接式IGBT器件功率循环平台,通过恒导通工况和功率循环实验验证了机-热-电耦合模型的有效性和薄弱层分析的合理性。研究结果表明,机-热-电耦合模型能更好地表征压接式IGBT器件多应力耦合作用效果,内部最大压强的薄弱环节为IGBT芯片与发射极钼层间,且内部最大压强随环境温度、外加压力和导通电流的增加而增加。     

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块（半桥、全桥结构子模块）的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25％的IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在PSCAD仿真环境中搭建基于NLM的11电平两端MMC—HVDC输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。     

基于混合子模块的新型模块化多电平直流融冰装置

在分析电网直流融冰和动态无功补偿功能需求的基础上,提出了桥臂采用半桥子模块和全桥子模块以组成混合子模块多电平换流器的直流融冰装置方案。为了确保直流融冰电压的连续可调,提出了每个桥臂中半桥和全桥子模块数量的具体计算方法,该方法与全桥模块化多电平换流器方案相比最多可以节省1/6的开关器件,同时,提出了混合子模块的电容电压平衡控制策略。最后通过PSCAD/EMTDC软件进行了仿真验证,证明了所提拓扑结构和控制策略的正确性和有效性。     

混合型MMC降低子模块电容电压波动的优化策略

模块化多电平换流器（multilevel modular converter，MMC）在高压直流输电（high voltage direct current，HVDC）领域得到了广泛的应用。由半桥以及全桥子模块构成的MMC因具备主动使换流器直流侧输出极间零电压以适应短路故障条件的能力，引起了国内外学者的广泛关注。首先，从混合型MMC的开关函数角度出发，对理想情况下混合型MMC进行建模，建立了子模块电容电压基频、二倍频波动数学模型，并提出单位降容比的概念，研究了调制比对子模块电容电压波动的影响。其次，提出提高调制比的抑制子模块电容电压波动配合策略，有效降低子模块电容电压波动。在此基础上，提出基于三次谐波注入的新增半桥子模块数目优化方法，减少半桥子模块的新增数目，解决了单纯提高变比带来的全桥电容电压降落的副作用。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建双端±160 kV混合型MMC的仿真模型，验证了所提降容策略的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器功率模块过压保护策略及优化

阐述了模块化多电平换流器(MMC)功率模块IGBT不同封装方式及失效机理,分析了功率模块在故障前后及旁路开关闭合前后的工作原理。阐述了不同IGBT封装方式的MMC功率模块过压保护工作原理,针对焊接式IGBT功率模块过压保护策略存在电压测量过程中采样异常导致换流器跳闸的风险,对功率模块过压保护策略提出优化设计。优化策略在功率模块控制板卡中实现,程序资源占用量小且易于实现,有效避免了高层级控制设备误判误动作的风险。此外,提出了过电压判据以避免系统过压时误旁路功率模块。通过仿真验证了文中所提优化策略的有效性和可行性,所提出的优化策略已在某一实际工程中应用。     

模块化多电平换流器IGBT模块失效机理和状态监测研究综述

全控型绝缘栅双极晶体管(insulated gated bipolar transistor, IGBT)模块作为模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的核心功率器件,其失效机理研究和状态监测技术对保证MMC的运行可靠性具有重要意义。IGBT模块劣化引起的运行参数失真和内部结构异常将严重影响MMC的工作性能。目前IGBT模块状态监测综述较多,但缺乏对MMC中IGBT模块状态监测的相关总结。首先分析了MMC的结构特性与工作原理。然后根据焊接式和压接式两种类型IGBT的失效机理,总结了IGBT模块的状态监测技术,并补充了MMC子模块中IGBT模块的状态监测方法并进行分析。最后针对目前研究中存在的不足,结合当下的研究现状,展望了未来柔性直流输电系统中IGBT模块状态监测与评估的研究方向。     

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件 可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管（IGBT）器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电-热-机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises 应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。