MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制

介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压平衡的原理以及子模块(sub-module,SM)电容的充放电过程.指出传统的电容电压平衡控制下,子模块投切较频繁,器件开关频率较高,会造成较大的开关损耗.针对传统方法的问题,提出一种适合MMC型直流输电系统的电容电压优化平衡控制策略,将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上.对电容电压未越限的子模块,优化策略通过引入保持因子使具有一定的保持原来投切状态的能力,以降低开关器件的开关频率.使用PSCAD/EMTDC对优化控制策略进行仿真,结果表明优化平衡控制策略与传统方法相比,可以在基本不增加电容电压波动的前提下,显著降低器件的开关频率.     

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。     

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。     

MMC低开关频率子模块均压控制策略

针对模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的子模块均压控制问题以及传统子模块排序均压策略的功率模块平均开关频率问题,通过相关公式推导,分析并指出子模块开关器件动作较频繁的原因。由此提出一种改进型的排序均压控制策略,通过固定每个控制周期功率模块的投切交换个数来降低功率模块开关频率,从而在保证子模块电压合理波动的前提下,明显减小子模块开关器件的动作次数,降低子模块的开关损耗。最后,通过仿真和实验对该控制策略的有效性进行验证,结果表明:在保证电容电压波动较小、系统稳定运行的同时,该策略可大大降低子模块开关频率,减小开关损耗。     

模块化多电平电压源换流器的数学模型

为了得到能够直观反映装置运行规律的数学模型,为装置性能的研究、主电路参数设计及控制系统设计等提供研究基础,将开关函数和瞬时功率结合,建立模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的时域解析数学模型。该模型给出换流器交直流电压、桥臂电流电压、桥臂子模块电容电压总和以及单个子模块电容的电压电流的时域解析表达式,可以正确反映上述各电气量与主回路参数的关系。计算和仿真结果表明,该建模方法是可行的,并具有较高的精确度。     

基于改进快速排序算法的MMC均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于其自身具有输出电平数高、开关频率低、波形质量好等优势而被广泛研究和使用。子模块电容的电压均衡问题是MMC的重点研究方向之一。传统均压方法随着子模块数目增加,将极大增加开关元件频率损耗和控制器运算量。该文提出了一种基于改进快速排序算法的均压策略,通过实时监测子模块电容电压,设置子模块电压间的离散度指标,继而控制排序模块的开通和保持。同时,通过排序算法的优化,使控制器在多模块时计算效率大大增加,降低硬件要求。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建MMC-HVDC模型进行仿真验证。仿真结果表明,改进的均压控制方法能够在维持系统特性相对均衡的同时,有效提高运行速度,降低子模块开关频率。     

2基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器拓扑及其优化设计

普通模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑中,因子模块数量较多,系统需采集和处理的信息量大,导致控制系统硬件构成复杂.提出一种基于循环嵌套机理的MMC拓扑,其电平输出能力得到显著提升.通过上下两组子模块的协调投切,相对于普通MMC拓扑,新型拓扑输出相同电平数所需的子模块及控制设备数量大幅减少.阐述该新型拓扑的构成方式及基本参数选取原则;针对循环嵌套结构,设计相应的模块协调控制策略;分别以模块用量最小化和换流器运行损耗最小化为目标,优化设计拓扑构成方案.在RTDS中搭建换流器模型,仿真结果表明,新型拓扑具备更强的电平输出能力,并达到大幅减少子模块数量、简化控制系统硬件构成的目标.     

MMC直流电压控制策略研究

为了对模块化多电平换流器(MMC)的直流侧电压进行控制并减小开关损耗,首先介绍了MMC的结构及子模块充放电原理,然后提出了MMC的直流电压控制是由系统级直流电压控制和子模块电压控制两部分构成;针对系统级直流电压控制,分析了直流电压控制原理,并提出相应的控制策略;针对子模块控制中存在的因开关器件盲目动作而产生的开关频率高的现象,提出了一种改进型子模块电压均衡控制策略,通过对传统电压排序方法的改进,避免了这一现象。最后以PSCAD/EMTDC为平台进行仿真研究,结果表明MMC直流侧电压可以稳定在额定值,并且器件开关频率明显降低。     

模块化多电平换流器子模块平均开关频率的精确控制方法

在现有的基于电容电压排序的优化均压算法基础上,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)的精确控制子模块开关频率的方法。通过引入双保持因子,避免绝缘栅双极型晶体管(IGBT)不必要的反复投切现象,从而在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,有效地降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗;在此基础上,设计了精确控制子模块开关频率的比例—积分(PI)控制器,能够在降低开关频率的同时精确地控制其大小,保证系统稳定运行和换流器的运行效率;最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端101电平MMC仿真模型,对所提出的方法进行了验证,仿真结果表明该方法可以在保证系统稳定运行的前提下,精确地控制子模块的开关频率,证明了所提出方法的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器子模块电容电压平衡改进控制方法

为减少子模块开关动作次数和换流器损耗,提出了一种模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的子模块电容电压平衡改进控制方法。采用最近电平调制方式,每个控制周期内按电容电压大小对处于投入状态和切出状态的2组子模块分别进行排序;根据需要投入的子模块数量和当前处于投入状态的子模块数量,对投入和切出的子模块状态进行改变;根据设定的电容电压允许偏差值、可进行调换的子模块数量,对投入和切出的子模块进行对调。仿真算例结果验证了所提方法的有效性。     

柔性直流输电系统换流器损耗与电压等级的关系研究

柔性直流输电一般采用模块化多电平换流器（MMC）,换流器损耗是衡量柔性直流输电系统的重要指标之一。推导了MMC子模块的通态损耗解析表达式、开关损耗解析表达式。从表达式可以看出,换流器损耗不仅与MMC子模块数量有关,还与柔性直流输电系统的容量、电压等级有关。详细分析了柔性直流输电系统容量与电压等级对换流器损耗的影响规律,得出了保证损耗最低的换流器输电电压等级的选取方式。仿真算例表明,采用所提方法确定的电压等级可以保证MMC换流器具有更低的损耗。     

基于模块化多电平技术的广义有源电力滤波器

为克服传统广义有源电力滤波器(GAPF)的缺点,提出了一种采用模块化多电平技术的GAPF(GAPF/MMC),提高了装置的电压等级和波形质量。详述了GAPF/MMC的拓扑结构、工作原理、控制方法及调制策略,给出了子模块电容电压的平衡方法。试验结果表明,GAPF/MMC在实现综合补偿的基础上可有效降低输出电压的谐波含量和网侧滤波电抗的容量、功耗,适合在高压大功率领域中应用。     

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。     

基于子模块电容电压允许值的MMC均压控制策略

针对模块化多电平变换器（modular multilevel converter,MMC）传统子模块（sub-module,SM）均压策略存在的开关频率高、开关损耗量多、计算量大等问题,提出基于子模块电容电压允许值的均压控制策略。通过引入电容电压允许值变量,使得SM电压始终在规定的范围内运行,降低了功率器件损耗。与此同时,由于不需要每个控制周期对全部SM进行排序,进一步减少了控制策略的计算量。通过仿真结果验证了所提策略的有效性,可以显著减少单位时间内功率器件的开关次数。     

柔性直流电网单极接地短路电流计算方法

在柔性直流电网工程设计与直流断路器选型中，电网的短路电流是重要的参考依据。针对以架空线作为金属回线网络的真双极柔性直流电网，文章提出了一种单极接地短路电流计算方法。该方法的基本原理是通过建立单极接地故障时电网的状态方程求解柔性直流电网中的短路电流。以张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程为例，通过对比理论计算与系统仿真结果，证明了该方法的正确性与高效性。文中利用该方法分析了限流电抗器电感值等参数对短路电流的影响规律，为工程设计提供了一定参考。文章提出的计算方法可以广泛地适用于不同端数的基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter， MMC）的柔性直流电网工程，为柔性直流电网工程的参数设计与直流断路器的选型提供支撑。     

基于TMS28035的MMC的控制系统设计与实验研究

对模块化多电平变流器MMC(modular multilevel converter)子模块电容电压测量方法进行了仿真和实验研究。1个桥臂只需1个电压传感器,对桥臂PWM调制单元的电容电压进行测量,对处于未调制时间段单元的电容电压用桥臂电流的积分运算得到。在兼顾开关损耗和电容电压均衡两个指标的基础上,综合利用2种子模块投切方式。基于TMS28035设计实验,验证了所提方法的可行性和有效性。     

基于桥臂二倍频电流分量重构的MMC降容控制方法

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）已显示出很好的工程应用前景。降低MMC子模块电容电压波动对实现换流器的轻型化具有非常大的工程意义。通过对国内外降低MMC子模块电容电压波动的各种控制方法进行归纳总结,可知各种通过控制方案降容的方法的实质为在桥臂上注入谐波电压和电流。在此基础上,提出一种桥臂二倍频电流量重构的方法,并在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建程序进行验证,仿真结果表明所提方法可有效降低子模块电容电压纹波幅值。进一步进行了低电容容值仿真验证,其在保持子模块电容电压纹波幅值不变的情况下,可有效降低子模块电容容值30%以上。另外,进行了MMC换流阀损耗分析,结果表明低电容容值工况下的换流阀损耗不大于对照工况下换流阀损耗。     

混合型模块化多电平换流器的模型预测控制方法

混合型模块化多电平拓扑是由传统模块化多电平拓扑在每个桥臂上增加一个H桥模块构成。对于混合型模块化多电平换流器(MMC),基于比例积分(PI)控制器的双闭环控制策略需要多个参数控制器且具有参数整定复杂、对控制参数敏感等问题。为此,结合子模块电容电压排序算法与H桥模块控制算法,提出一种基于模型预测控制的分层控制策略,该方法通过建立相对应的指标函数对交流侧电流、环流与子模块电容电压进行分层控制,从而确定各子模块与H桥模块的开关状态。与传统控制方法相比,该方法原理简单、无需考虑复杂的参数整定且可使系统具有良好的动静态性能。最后搭建了混合型模块化多电平换流器的仿真平台,仿真结果验证了所提控制策略的有效性与正确性。     

基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的设计

传统基于电压源换流器（voltage source controller,VSC）的统一潮流控制器（unified power flow controller,UPFC）开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低,同时在运行过程中也有遭受短路故障的可能性和风险,特别是在大容量高电压的场合下,极易造成器件的损坏。将模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）引入UPFC中,同时改进MMC的控制策略以适应所提拓扑的要求,同时由于MMC的引入,短路故障的风险进一步加大,因此在MMC-UPFC的基础上设计了限流模块,该限流模块能在系统短路故障下有效地抑制短路电流,且该限流器在正常工作情况下并不会给线路增加负担。整个UPFC的拓扑具有模块化程度高、谐波小、容量扩展、短路快速限流等特点,该文所设计的拓扑增加了系统的可靠性、安全性和经济性。