模块化多电平变流器均压策略研究

模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,简称MMC)子模块电容电压的均衡是其稳定运行的前提,在此介绍了MMC的拓扑结构,分析了其运行原理,提出了一种基于子模块电容电压瞬时值排序和桥臂电流方向的简化均压策略。该策略上、下桥臂仅各需一个载波,而与子模块数无关。仿真和实验结果验证了所提均压策略的有效性。     

适用于高压大容量MMC-HVDC系统的改进低开关频率均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于柔性高压直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统时,具有功率模块数量多、桥臂电流大等特性,导致换流阀开关损耗高、开关器件散热困难。传统排序均压算法功率模块投切为随机过程,开关频率很高,难以满足实际工程需求。首先分析MMC功率模块的充放电规律,分析功率模块投切对电容电压均衡控制的影响机理;在此基础上,推导传统电压排序均压算法的开关频率上下限解析式。对现有的一种固定功率模块轮换数的低开关频率均压算法,分析开关频率和均压效果的优缺点。然后,通过推导功率模块轮换数与均压特性的关系式,提出一种改进的低开关频率均压策略。该策略在开关频率下限解析式的基础上,通过闭环控制每个控制周期功率模块轮换个数,实现MMC均压特性和开关频率的优化控制。最后,利用±350 k V 1000MW MMC-HVDC系统实时硬件在环(real-time hrdware in the loop,HIL)仿真测试系统,对两种低开关频率均压策略进行对比验证。     

适合于柔性高压直流输电系统的模块化多电平变流器的自适应均压方法

提出一种模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)的自适应均压方法。在每个控制周期中,根据桥臂电流绝对值的大小选择不同个数的功率模块进行轮换。此外,还推导并计算了采用该自适应均压方法的功率器件平均开关频率的解析表达式。通过160 k V/400 MVA的MMC仿真系统验证了所提出的自适应均压算法的有效性和平均开关频率计算的正确性。最后,在RT-LAB实时仿真实验平台中搭建了350 k V/1000 MW的MMC背靠背系统,对上述方法进行了实验验证。实验结果表明,采用所提出的自适应均压方法能够在保证功率模块电容电压均衡的前提下降低开关频率,提高系统效率。     

一种基于扩展卡尔曼滤波算法的MMC系统故障诊断策略

模块化多电平换流器(MMC)凭借其诸多优势已成为高压大功率工况下的核心拓扑,针对MMC系统常见子模块故障的诊断技术直接影响着系统的安全稳定运行。在分析MMC系统离散域数学模型和发生子模块功率单元故障时内部状态变化的基础上,提出一种基于扩展卡尔曼滤波算法(EKFA)的MMC故障诊断策略,旨在通过观测系统内部环流状态以快速判定系统是否处于故障状态。首先,参考系统离散域数学模型建立系统扩展卡尔曼滤波方程;其次,构建故障诊断系统的判别机制与定位环节;最后,为验证所提故障诊断策略的可行性和有效性,在子模块不同类型故障状态下,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提故障诊断技术能够快速判定故障状态,并定位故障点所在位置,提升MMC系统的安全性能。     

MMC子模块故障下能量再平衡控制与安全运行域分析

模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电领域得到了广泛的应用。在高压大功率场合,MMC的子模块数量庞大,子模块故障是一种常见的故障类型。为了提高可靠性,通常MMC每个桥臂上均设置一定数量的冗余子模块。然而,当MMC发生不对称子模块故障时,直流电流中会出现基频波动,影响MMC的运行性能。针对上、下桥臂同时存在故障子模块的工况,分析了MMC桥臂间能量平衡的条件。据此,提出了一种能量再平衡控制策略,以抑制直流电流中的基频波动。与传统控制策略相比,在额定冗余运行域内,所提控制策略无需提高子模块电容电压。分析了采用所提控制策略时MMC的最大安全运行域,结果表明所提控制策略能扩展MMC的安全运行域,进一步提高其可靠性。±350 k V/1 000 MW的MMC硬件在环实验结果验证了所提能量再平衡控制策略的有效性以及安全运行域分析的正确性。     

MMC中压电机驱动系统全转速范围电容轻量化研究EI北大核心CSCD

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于中压电机驱动系统时存在子模块电容尺寸过大的问题,在电机低速运行时尤其明显。文中提出一种基于横向子模块互联的低容值MMC(low capacitance MMC,LC-MMC)电机驱动系统,利用拓扑特点实现了系统在电机全转速范围内的电容轻量化。LC-MMC基于横向子模块输入波动电流的三相对称性,在互联通道中实现了他们的相互抵消,从而大幅减小了子模块电容尺寸,并且不受电机运行频率的影响。文中从传统MMC电机驱动系统出发,分析其对子模块电容的具体需求;对所提LC-MMC实现全转速范围内的电容轻量化方案进行详细介绍;然后,对两种MMC电机驱动系统进行对比评估,并分析LC-MMC的共模电压自然抑制特性;最后,对所提LC-MMC方案进行仿真与实验验证。     

模块化多电平换流器闭环均压策略研究

模块化多电平换流器(MMC)以其模块化结构、易于扩展及无需变压器等优点成为近年来的研究热点.子模块电容电压的稳定对MMC稳定运行至关重要,然而MMC各子模块电容电压均衡是MMC的难点.这里介绍了一种基于环流控制桥臂总能量和上下桥臂均衡能量的闭环均压控制方案.通过桥臂总能量控制器和能量均衡控制器来均衡子模块电容电压,确保子模块电容电压处于相同变化范围,保证MMC稳定运行.基于该策略搭建了单相五电平Matlab仿真和实验平台.实验和仿真结果验证了所述闭环均压策略的有效性.     

模块化多电平换流器子模块均压电阻参数优化策略

子模块的均压电阻在模块化多电平换流器(MMC)启动过程中起均压作用,同时在停运过程中作为电容的放电电阻,但目前缺乏均压电阻参数设计的理论依据和优化策略。通过优化子模块仿真模型引入均压电阻和取能电源相关参数;分析了均压电阻参数在MMC启动过程中对子模块电容均压的影响,阐明了均压电阻过大时电容均压效果劣化的机理;同时修正了MMC停运后子模块电容放电时间的计算方法;最后提出满足电容均压、放电时间和功率要求的均压电阻参数优化策略和具体设计步骤。依托厦门柔性直流输电工程给出均压电阻参数设计实例并进行相关试验,试验结果验证了所提均压电阻参数优化策略的有效性。     

模块化多电平变流器调速系统变频控制

模块化多电平变流器(MMC)凭借着诸多优势成为高电压大功率工况下的核心拓扑。但MMC变频调速系统运行于低频状态时存在桥臂能量分配不均衡、子模块电容电压波动严重等问题,不仅影响变频器全速域运行能力,甚至威胁系统安全。为解决上述问题,提出一种基于共模电压与偏置电压控制的MMC变频调速系统全速域运行方法,旨在通过控制系统各桥臂瞬时功率以快速抑制子模块电压波动。首先,构建系统数学模型,分析悬浮电容电压波动影响因素;其次,设计变频调速系统的低频控制器与在线模式切换环节;最后,为验证所提控制策略的可行性和有效性,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提控制策略能有效抑制MMC变流器子模块电压波动,完成不同频段平滑切换,降低系统损耗,改善系统输出品质,提升MMC系统安全运行能力。     

不平衡网压下MMC子模块电压波动抑制策略

针对不平衡网压下模块化多电平换流器(MMC)子模块电容电压波动问题,提出一种注入共模电压与环流的MMC子模块电压波动抑制策略。首先通过注入共模电压使系统工作在较高调制比状态,然后根据半桥子模块MMC的数学模型推导出注入共模电压后的桥臂功率解析式,从而减小桥臂功率波动,实现注入共模电压与环流的MMC子模块电压波动抑制。最后通过搭建的17电平MMC实验平台对所提策略进行有效验证,实验结果显示该策略可有效减少子模块电容电压波动幅值。     

Loss distribution analysis and accurate calculation method for bulk-power MMC

Accurate evaluation of power losses in a modular multilevel converter (MMC) is very important for circuit component selection, cooling system design, and reliability analysis of power transmission systems. However, the existing converter valve loss calculation methods using the nearest level modulation (NLM) method and the traditional sortingbased capacitor voltage balancing strategy are inaccurate since the submodule (SM) switching logics in the MMC arms are uncertain. To solve this problem, the switching principle of the SMs in the sorting-based voltage balancing strategy is analyzed. An accurate MMC power loss calculation method based on the analysis of loss distribution of various SM topologies, including half-bridge submodule (HBSM), full-bridge submodule (FBSM) and clamp double submodule (CDSM), is proposed in this paper. The method can accurately calculate the losses caused by the extra switching actions during the capacitor voltage balancing process, thus greatly increasing the calculation accuracy of switching losses compared with existing methods. Simulation results based on a practical±350 kV/1000 MW MMC-HVDC system with variety of MMC topologies with diferent voltage balancing strategies demonstrate the efectiveness of the proposed method.     

辅加逼近的MMC抑制电容电压波动

子模块电容电压的均衡是模块化多电平换流器MMC控制的重中之重。应用于等级较高的MMC子模块数多,频繁投切造成的开关损耗可观。为此,提出分组设限电压均衡控制策略。即使电平不变时,越限电压的子模块也要投切,均衡电容电压。通过分组能增加模块保持原有状态的能力,降低开关损耗。引入补偿模块PC,使得输出直流电压逼近参考值,支撑直流电压的同时有效地抑制了环流。在Matlab/Simulink中搭建模型进行仿真实验,仿真实验结果验证了所提方法的有效性和正确性。     

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。     

模块化多电平变流器HVDC输电系统控制策略

建立模块化多电平变流器（modular multilevel converters,MMCl的电磁暂态数学模型以及采用MMC为变流器的高压直流输电系统（high voltage direct current,HVDC）直流侧电压的动态数学模型。在此基础上,分析HVDC系统的直流侧电压动态特性,给出HVDC控制器参数协调设计原则和算法。最后,基于PscAD／EMTDc的数字仿真结果证明了所提出的HVDC控制系统参数协调设计原则和算法的正确性。     

降低模块化多电平换流器子模块电容值的控制方法

模块化多电平换流器(MMC)因必须对子模块电容电压波动范围进行限制,导致所需的子模块电容值较大,带来较大的成本和体积问题。提出了一种降低MMC所需电容容量的运行方式和参数设计方法。所提方法将子模块电容电压直流分量的实际运行值适当降低一定的比例,使电容电压波动的最大允许幅度增大,使选择较小的电容值成为可能。详细分析了所提方法的运行方式。为使所提出的降低电容容量的运行方式能够更好地实现,还提出了一种可以实现交流端口电流、直流端口电流和内部环流解耦控制的桥臂瞬时电流直接控制方法。通过这一方法可以直接控制换流器的内部环流分量,并能够动态调节各桥臂子模块电容电压。通过RT-LAB平台对所提出的运行方式进行了详细的仿真研究,验证了其可行性和有效性。     

基于快速排序算法的模块化多电平换流器电容电压均衡策略*

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)在模块数较多时,传统算法实现电压均衡将占据大量计算资源,影响系统的运行速度甚至动态响应特性。为此,提出一种基于快速排序算法的电容电压均衡策略。采用分治技术,基于比较、划分的思想实现模块电容电压排序,根据电容能量变化选择触发模块实现电容电压均衡。推导快速排序算法的时间复杂度和排序效率,分析算法对系统特性的影响,研究不同情况下基于快速排序算法的均衡策略的适应性。采用DSP控制器TMS320F28335测量算法的执行时间并在PSCAD/EMTDC中搭建MMC仿真模型,验证了基于快速排序算法的电容电压均衡策略的有效性和正确性,表明快速排序算法可以有效降低排序计算量,减少仿真时间,并且随着模块数的增加优势愈加明显。     

基于改进冒泡排序的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)子模块电容电压均衡是当前MMC研究领域的热点问题。当MMC的单个桥臂子模块数量较多时,存在控制器运算时间长、子模块投切频繁和开关损耗大并导致MMC故障等缺陷。针对上述缺陷,提出了一种基于改进冒泡排序算法和平均值法混合控制策略。通过实时监测电容电压,采用改进冒泡法在初始化时对子模块电容电压进行排序,减少MMC控制器的运算量。在之后的控制周期采用已投入子模块平均值比较法对子模块作投切,降低开关频率。最后在Matlab/Simulink搭建21电平MMC模型,仿真结果验证了所提混合控制策略的有效性和正确性。     

基于多变量校正的MMC快速有限集模型预测控制策略

有限集模型预测控制方法(finite control set model predictive control, FCS-MPC)因其能够实现多目标的控制,在模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)中得到广泛应用。随着子模块数量增加,模型预测控制方法计算量呈指数增长,面临计算复杂度高、权重因子难以整定等问题。为了解决上述问题,提出了一种基于多变量校正控制集的MMC模型预测控制策略(multi-variate adjusting set predictive control, MAS-MPC)。该策略基于输出电流与桥臂电压差对子模块投入控制集进行快速校正,通过评估两个成本函数得到最优开关矢量。此外,提出了一种基于分化中项的电容电压平衡方案,可以有效降低排序算法的复杂度。为了验证所提策略的有效性,使用Matlab/Simulink软件平台搭建了10电平的三相MMC系统,并与传统方案进行比较。所提方案在降低输出电流与环流的谐波含量的同时,大幅减少了系统的计算量,使得系统具有更快速的动态响应速度。     

基于三电平子模块的倍电平复合式MMC变换器

为了降低模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的接线复杂度和通信失效故障概率,ABB提出了采用压接式IGBT串联的级联两电平CTL(cascaded two-level)变换器。由于桥臂子模块数由数百降为几十,CTL变换器输出电压电平数较少,需要在交流侧安装滤波器。为此,提出了基于三电平TL(three-level)子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC(voltage-level-doubler hybrid MMC)。每个桥臂有TL、半桥HB(halfbridge)子模块混合组成,且交流侧串联有一个全桥FB(full-bridge)子模块,输出电压电平数提高了1倍,从而省去了交流滤波器。各子模块具有脉冲自主触发功能且其功率开关由压接式器件串联组成,降低了桥臂子模块数,简化了控制器与主电路之间的接线复杂度,降低了通信故障的概率。单个功率开关短路故障不会影响系统正常运行,并且可避免了子模块电容的过度放电,保护电容器和功率开关,提高变换器的可靠性及故障穿越能力。所提拓扑结构实现了直流故障穿越运行,为HVDC换流站的设计提供了技术参考。     

一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,?MMC)具备直流故障自清除能力和电容电压均衡能力,提出了一种新型并联双端口子模块：钳位双全桥子模块(clamp double full bridge submodule,?CD-FBSM)。该子模块器件成本和运行损耗较低,正常工作时相邻子模块之间具有多种协同运行模式,通过特有的并联模式可提高电容电压均衡度。故障闭锁时,模块内部电容并联、模块之间电容串联且反向接入电路,能够可靠阻断故障电流并均衡电容电压,有利于系统快速重启。此外,提出了三阶段故障电流阻断机理分析方法,对CD-FBSM的故障电流阻断过程进行了研究。通过Matlab/Simulink的仿真结果表明,所提子模块电容电压均衡度较高,可快速阻断故障电流,且故障电流阻断过程与理论分析一致。