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。     

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。     

基于电容电压波动的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

针对模块化多电平换流器(MMC)的子模块电容电压均衡问题,为了在较低的开关频率下抑制电容电压波动,提出了一种标记排序电容电压均衡策略。标记排序均衡策略能够根据设定的电容电压波动率边界与每个子模块的投切状态和电容电压,将同一桥臂内的子模块标记为两种类型,分别进行排序与投切控制。其中电容电压波动率边界可以根据系统运行的不同条件进行调整。提出了用于评价电容电压均衡控制策略性能的两个通用性指标,分别为器件平均开关频率和桥臂的电容电压波动率。在PSCAD/EMTDC中搭建了一个21电平MMC的测试系统,将标记排序均衡策略的控制性能和已有的两种电容电压均衡策略进行了仿真对比,并计算了不同均衡策略下MMC的损耗分布。仿真结果证明了标记排序均衡策略的有效性。最后,对电容电压波动率边界取不同值时的情况进行了仿真测试,给出了电容电压波动率边界的选取建议。     

工频周期四点电压采样的MMC子模块电容值在线监测方法

近年来,模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)可靠性问题越来越受到关注。电容作为组成MMC系统子模块的重要元件,因运行时需承受较大桥臂电流冲击和电压波动,成为MMC系统中失效率最高的元件之一。对电容值进行状态监测(condition monitoring,CM),对于提升电容运行可靠性,并实现高效的可预测维护具有重要意义。文中建立MMC系统子模块电容电压时域数学模型,推导出子模块电容值的新型计算方法,通过采样工频周期内4个特定时刻的电容电压实时监测MMC子模块电容值。通过搭建MMC子模块的工况模拟系统,对所提方法进行实验分析,验证所提方法的有效性。     

低频率工况下模块化多电平变流器电容电压平衡控制策略

针对应用于高压变频的模块化多电平变流器(MMC)在低频率工况下会出现子模块电容电压波动较大的问题,该文对电容电压波动机理及其抑制控制方法进行了研究。首先,根据MMC的工作原理,设计载波移相调制方法;其次,从理论上分析子模块电容电压波动机理,并在此基础上提出一种适合于低频率工况的电压平衡控制策略;最后,通过仿真验证了控制策略的正确性与有效性。该控制策略可以降低各子模块开关频率,在低频率工况下对子模块电容电压波动有良好的抑制效果。     

模块化多电平变流器的低频控制策略

为了研究模块化多电平(MMC)低频电容电压波动的问题,提出了一种MMC低频运行控制策略。首先,建立了MMC的数学模型,从能量流动的角度研究了MMC的电容电压波动情况,指出桥臂能量偏差与系统的运行频率呈反比,致使系统在低频下无法正常运行。针对这一问题,提出了一种在桥臂环流和输出电压中加入高频方波分量的方法来抑制电容电压的波动,确保MMC桥臂能量的平衡。理论分析结果表明,相比于加入高频正弦分量的方法,采用该方法得到的桥臂环流的峰值降低了50%。最后采用上述方法进行了阻感和电机实验,结果表明,模块电压波动得到了有效抑制,电机低频调速性能良好,证明了所提出的控制方法的有效性。     

模块化多电平变流器的低频控制策略EI北大核心CSCD

为了研究模块化多电平(MMC)低频电容电压波动的问题,提出了一种MMC低频运行控制策略。首先,建立了MMC的数学模型,从能量流动的角度研究了MMC的电容电压波动情况,指出桥臂能量偏差与系统的运行频率呈反比,致使系统在低频下无法正常运行。针对这一问题,提出了一种在桥臂环流和输出电压中加入高频方波分量的方法来抑制电容电压的波动,确保MMC桥臂能量的平衡。理论分析结果表明,相比于加入高频正弦分量的方法,采用该方法得到的桥臂环流的峰值降低了50%。最后采用上述方法进行了阻感和电机实验,结果表明,模块电压波动得到了有效抑制,电机低频调速性能良好,证明了所提出的控制方法的有效性。     

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。     

谐振滤波型模块化多电平换流器低频控制方法

低频运行时模块电容电压的大幅波动限制了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在电机驱动领域的应用,该文针对有谐振滤波电路的MMC结构,提出一种合理的低频控制方法。在分析谐振滤波电路特性的基础上,利用谐振滤波电路对相阻抗的改变,并通过参数设计,同时实现MMC额定频率运行时二倍频环流抑制和低频运行时高频环流控制电压最低。该方法无需注入频率混合及频率变化的环流,可降低环流控制器设计难度,同时相阻抗在串联谐振频率处压降最小,提高了高频共模电压的可利用范围。为实现对交直流混合环流指令的无差跟踪,引入比例–积分–谐振控制以准确抵消导致电容电压剧烈波动的无功功率交换,抑制模块电容电压的波动,同时维持模块电容电压均值的稳定,保证MMC低频运行的安全性和可靠性。最后通过实验验证了理论分析和控制方法的准确性与有效性。     

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。     

基于高交流调制比的混合MMC配比约束方案设计

全桥子模块的负电平输出性能,可使混合型MMC系统交流调制比大于1。基于高交流调制比的混合型MMC配比优化设计,可降低直流故障率,提升交流电网电压等级,扩展交直流电压运行区域,对柔性直流输电发展意义重大。因此,提出直流故障穿越与半桥子模块电容电压平衡约束的高交流调制比混合型MMC全桥比例设计方法;建立±500kV双端混合型MMC系统模型,分析直流故障量暂态特性与半桥子模块电容电压波动规律,得到混合型MMC配比综合优化设计方案。结果表明,全桥占比应不小于41%,随全桥比例增大,系统故障后电压恢复时间先减后增,故障自清除时间缩短,半桥子模块电容电压波动减小8.15kV,电容电压波动与交流调制比呈正相关变化;全桥比例为75%的MMC子模块故障处理能力强,综合性能最优。研究结果为MMC轻型化设计提供参考。     

不平衡电网电压下抑制MMC子模块过电压的调制比设计方法

模块化多电平换流器(MMC)在调制比为1.414的稳态运行条件下,子模块电容电压波动的基频分量将被抑制到0;但在电网电压不平衡时基频分量会变大,导致子模块电容电压波动显著增加。为抑制电网电压不平衡时的电容电压波动,基于桥臂功率分析了稳态和电网电压不平衡条件下子模块的电压波动特性,提出了一种适用于混合型MMC的调制比设计方法,该方法以桥臂瞬时功率的基频分量为抑制目标,综合考虑了不平衡电网电压下的三相子模块电压波动特性,通过改变直流电压指令值从而改变运行调制比,避免了故障时子模块发生过电压的情况。在PSCAD中搭建混合型MMC模型,通过对3种电网电压不平衡工况进行仿真分析,验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平型变流器电容电压波动及其抑制策略研究

以模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)上下桥臂的功率流动和能量波动为出发点,得到模块化多电平变流器上下桥臂子模块电容电压波动的数学模型。分析子模块电压波动与MMC传输功率、内部环流等物理量之间的关系。提出通过控制MMC内部环流的二次分量来抑制子模块电容电压波动的控制策略,通过测量相电流瞬时值和相电压调制值得到内部环流参考值,引入准比例谐振(Proportional-Resonant,PR)控制器进行环流闭环控制从而抑制子模块电容电压波动。该控制策略无需坐标变换,无交叉耦合项,简化了控制器的设计。仿真表明,在保持子模块电容大小不变的前提下,该控制策略能有效抑制子模块电容电压的波动,改善MMC输出的交流电压波形质量。     

基于最大电压偏差裕度的MMC子模块均压优化算法研究

根据模块化多电平换流器(MMC)的运行原理,针对传统子模块电容电压排序算法存在器件开关频率高、从而引起开关损耗较大的问题,本文提出一种基于最大电压偏差裕度的均压优化算法。该算法考虑了子模块上一时刻开关投切状态以及各子模块电压之间的差值,可以在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,避免IGBT不必要的反复投切,有效降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗,从而提高系统运行效率。本文通过在Matlab/Simulink平台上搭建21电平的MMC仿真模型进行了仿真,仿真结果验证了均压优化算法的正确性和有效性。     

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。     

不平衡电网电压下的MMC子模块电压波动抑制方法

为降低模块化多电平换流器(MMC)对子模块电容的需求,有必要抑制子模块的电容电压波动。电网三相电压不平衡情况发生时,会加剧MMC中子模块的电容电压波动。首先分析了电网电压不平衡时MMC子模块电容电压的波动特性,进一步分析了三次谐波注入对子模块电压波动的影响;重新设计了三次谐波电压注入的幅值和相角,使其能在不平衡工况下有效实现降低电压波动的目标;设计了相应的波动抑制策略;最后,在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真,验证了所提注入方案的有效性。     

基于数学分析的抑制模块化多电平换流器电压波动的子模块电容参数设计

远海风电场经MMC-HVDC联网具有一定的技术优势,子模块是模块化多电平换流器(MMC)的重要组成部分,其参数关系到换流器的安全稳定运行。文中在MMC的稳态数学模型基础上,推导了子模块电容能量波动的关系式,以数学分析的方法证明了换流器工作在静止无功补偿方式时模块电压波动最大,设计了全工况下满足电压波动率要求的子模块电容取值,并指出了考虑风电功率波动的子模块电容取值。仿真以南汇柔性直流输电示范工程为背景,验证了发生直流电压极值时换流器的运行方式,以及所设计的电容参数对换流器工况的适应性。     

模块化多电平型换流器电容电压二倍频波动抑制策略研究

针对当前关于抑制模块化多电平型换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)直流电容电压波动的研究较少被涉及,提出了一种用于抑制MMC电容电压二倍频波动的控制策略。由于相单元电容电压之和反映了子模块电容电压的二倍频波动,所以采用二倍频负序旋转坐标变换将换流器三个相单元分别的电容电压之和分解为dq0轴分量,并设计了相应的附加控制器用于分别控制相单元电容电压之和的dq0轴分量,从而抑制了子模块电容电压的二倍频波动。最后通过Matlab/Simulink搭建了包含该附加控制器的MMC仿真模型,结果证明所提出的控制策略可以在不增大子模块电容值的情况下,有效地抑制子模块电容电压的二倍频波动,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生不良影响。     

模块化多电平换流器的电容均压算法比较及优化设计

模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输电技术的核心器件,MMC的子模块电容均压问题,是输电系统稳定运行的关键问题之一。针对这一问题,首先分析比较了现有的几种以电容电压排序为基础的电容均压算法。结合几种算法的优缺点,提出了一种优化的增量式电容均压算法,只引入一个电压上下限的参数,也能够实现电压波动、开关频率的可调节。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了MMC的仿真模型,实现了四种均压算法并进行比较,验证了理论分析。仿真结果表明,所提出的电容均压算法能极大降低开关频率,在相同的电压波动情况下,开关频率更低,是一种性能更优良的均压算法。     

稳态负电平输出下的混合型MMC设计方法

混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)桥臂中含有半桥子模块和全桥子模块。利用全桥子模块的负电平输出能力,混合型MMC可具备直流故障处理能力,在稳态下也可实现电压调制比大于1的工况,进而可实现直流降压运行或交流提压运行。该文针对稳态下利用全桥子模块输出负电平的工况提出一种混合型MMC的设计方法。根据电压调制比大于1的需求和直流故障穿越能力的需求,明确混合型MMC桥臂中全桥子模块占比的设计原则。同时,对半桥子模块和全桥子模块电容电压的波动情况进行详细的分析,描述子模块电容电压波动情况,并总结出子模块电容参数的设计方法。最后,通过仿真对所述设计方法的可行性和正确性进行验证。