桥臂复用型模块化多电平换流器的拓扑及控制研究

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的轻型化需求,提出一种具备子模块高利用率的桥臂复用型模块化多电平换流器(arm multiplexing MMC,AM-MMC)。通过将相单元划分为上桥臂、复用桥臂和下桥臂,并利用桥臂切换开关对桥臂进行复用,AM-MMC可有效提高子模块利用率、降低子模块装配数量。为了避免桥臂切换开关的动态均压问题,设计确保AM-MMC在上、下桥臂复用模式之间平稳切换的模式切换策略。此外,根据AM-MMC拓扑特点,设计最近电平逼近调制和分段脉宽调制策略,以满足其在高压直流输电和中低压直流配用电领域的调制需求。基于Matlab/Simulink的仿真结果和物理实验结果表明,AM-MMC能够顺利完成交直电压变换与能量传输,且运行效果良好。与常规MMC相比,所提AM-MMC的子模块利用率提升至66.7%,子模块装配数量降低25%,有效实现了轻型化目标。     

具有直流故障穿越能力的模块化多电平换流拓扑推演与对比

直流故障具有影响范围广、故障电流大的特征,已成为制约直流系统发展的重要因素之一。模块化多电平换流器可通过配置双极性子模块实现直流故障穿越,但相比于基于半桥子模块的拓扑,其建造成本与运行损耗均大幅增加。为寻求兼顾硬件成本、运行效率与直流故障穿越能力的模块化多电平换流拓扑,首先通过拓扑抽象定义与模块配置约束,遍历并推导出4大类共13种模块化多电平换流拓扑;进而优选出T型桥臂交替多电平换流器,并提出桥臂移相导通调制,实现其高效功率变换与直流故障穿越的兼顾;最后,计及硬件成本、运行损耗、可靠性与可实现性等维度,对各类具有直流故障穿越能力的拓扑进行了系统性对比,为具有故障穿越能力需求的交直流变换场景提供模块化多电平换流拓扑的选择依据。     

适用于少子模块混合型MMC直流故障穿越的均压调制策略

针对混合型模块化多电平换流器(HMMC)在中低压场景子模块个数受限以及直流故障穿越期间的电容电压平衡问题,提出适用于少子模块HMMC直流故障穿越的调制技术以及直流故障穿越期间的电容电压平衡控制方法。从虚拟半桥子模块角度对全桥子模块拓扑进行解耦,统一HMMC的内部拓扑。基于虚拟调制改进载波移相脉宽调制方法,提出适用于HMMC多工况运行模式切换的混合调制技术。进一步考虑直流故障穿越期间的子模块电容电压平衡需求,基于优化子模块充、放电能量分布的思想,重构脉冲映射关系,提出分层脉冲自适应平衡控制方法。仿真结果表明,所提策略实现了少子模块HMMC直流故障穿越,并有效保障了直流故障穿越过程中子模块的动态电容电压平衡。     

一种混合型模块化多电平换流器的改进载波移相调制方法

混合型模块化多电平换流器(MMC)桥臂中既包含半桥子模块,又包含全桥子模块,原有载波移相调制方法并不适用。文中在分析子模块混合型MMC拓扑结构工作原理及其调制方法的基础上,提出了一种适用于混合型MMC且带电容电压均衡策略的改进载波移相调制方法。在PSCAD/EMTDC中搭建了详细仿真模型,仿真结果证明了该调制策略的有效性。     

模块化多电平换流器桥臂不平衡运行特性及冗余保护策略北大核心

当模块化多电平换流器发生子模块故障时,换流器将运行在桥臂不对称的状态,会引发基频环流增大等一系列问题,进而影响换流器的运行特性。为此,综合考虑冗余子模块以及桥臂不对称运行的影响,对柔性直流系统数学模型、子模块开关函数以及环流产生机理进行了深入分析。在此基础上,提出了改进的换流器冗余保护策略。与传统策略不同,该策略在子模块故障发生后,无需切除非故障桥臂子模块,通过调整子模块电压基值降低桥臂不对称度。在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了双端直流输电系统模型并进行了仿真验证,仿真结果证明所提出的策略可使换流器在桥臂不平衡状态下保持良好的运行特性,增强了换流器抵御子模块故障的能力。     

基于载波移相调制的模块化多电平换流器冗余保护策略

模块化多电平换流器(MMC)桥臂中冗余子模块的存在是换流器可靠运行的重要保障,能够避免子模块故障时换流器无法正常运行甚至可能退出运行的风险。为此,分析了不同调制策略下冗余保护的换流器损耗,并基于此提出了基于载波移相调制的新型冗余保护策略。该策略在故障后根据子模块的运行状态进行载波动态分配,无需记录载波量;可通过改变载波来切换冗余子模块和未故障子模块的运行状态,优先为冗余子模块充电;同时,引入电容电压优化控制,以保证附加载波控制时桥臂的电容电压波动较小,降低相间环流和维持控制器的稳定。7电平和101电平MMC系统的仿真结果验证了所提冗余保护策略的有效性和通用性,且对系统控制稳定性影响较小。     

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。     

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。     

考虑桥臂参数不对称和子模块故障的MMC协同控制策略

近年来,模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）受到广泛关注并得到迅速发展,在实际工程中,MMC上、下桥臂参数不可避免地会存在不一致;另外,当MMC桥臂子模块因故障旁路时,会导致6个桥臂子模块数目的不对称,以上两种桥臂不对称现象,均会打破MMC内部原有的能量均衡,同时导致换流器阀侧电流出现直流和2倍频谐波,以及导致直流电流中出现基频和二倍频谐波等问题。为解决以上问题,该文考虑桥臂参数不对称和子模块数目不对称同时存在的复杂工况,提出了MMC协同控制策略,此策略在充分保留子模块电压保护裕度的前提下,即可抑制桥臂参数不对称导致的直流侧/交流侧谐波,又可抑制桥臂子模块数目不对称导致的谐波,有效的改善了MMC交直流输出外特性的性能。最后,搭建了双端MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析及所提策略的有效性。     

具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC

具有直流故障阻断能力的模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输配电技术的重要支撑设备。针对传统半桥型MMC无法阻断直流短路故障的问题,通过结合现有的故障阻断方案,提出了具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC。该拓扑增加了断流支路、桥臂阻断支路以及能量吸收支路。直流故障发生后,通过断开断流支路,一方面主动转移故障电流,另一方面实现桥臂电流的换向,进而利用半桥子模块吸收MMC内部故障能量。同时,能量吸收支路中的全桥子模块在闭锁过程中也投入电容以吸收线路侧的故障能量,从而实现了短路故障的快速阻断。文中通过建立电流主动转移型MMC拓扑,详尽分析了故障阻断机理,并在MATLAB/Simulink中搭建了单端100 kV/25电平仿真模型,验证了该拓扑的可行性与有效性。     

Research on high voltage DC transmission system optimal control based on MMC

In high voltage direct current (HVDC) transmission system, modular multilevel converter (MMC) is not satisfactory to maintain the balance of the capacitor voltage and doesn’t have the DC side fault ride-through capability. This paper presents that the MMC bridge arm consisting of half bridge module and clamping double sub module in series can reduce the loss of steady state operation and the amount of components. The repetitive predictive control is proposed to suppress the circulation current and balance the capacitor voltage based on the topology of MMC. A related model is built in the PASAD/EMTDC software environment and a repetitive predictive control strategy is developed. The simulation results show that the proposed system not only has the DC side fault ride-through capability, but also carries out the capacitor voltage balancing task and minimizes the circulating currents.     

一种新型模块化多电平换流器调制策略研究

介绍了适用于轻型直流输电系统(VSC-HVDC)的模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构及原理,并提出一种适用于MMC的新型移相载波调制策略(CPS-SPWM)。基于MMC的能量均衡和电压平衡问题,还提出了和调制策略相协调的电容电压均衡控制方法,最后通过Matlab/Simulink搭建了MMC仿真模型,结果证明所提出的控制方法可以有效地平衡换流器子模块的电容电压,并且保证MMC外部输出良好的交流电压和电流。     

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。     

基于超级电容储能的大容量直驱风电机组低电压穿越策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)可用作大容量风电机组的换流器,其具有良好前景,但需要解决风电机组低电压故障时易脱网运行的问题。鉴于此,提出了一种基于超级电容储能的低电压穿越策略。考虑超级电容的利用效率和变流器的约束条件,通过DC-DC变换器对超级电容的储能模式进行控制,实现故障期间机、网侧的功率平衡,以稳定直流侧母线电压。按照海上风电场规定,确定了故障期间网侧MMC有功无功电流分配原则,向电网提供动态无功以帮助恢复电网电压。仿真结果表明,当并网点发生故障时,所提策略不仅能较好地稳定直流母线电压,保障了MMC功率器件安全运行,还可以补偿无功以改善电网电压,提高了大容量直驱风电机组的故障穿越能力和运行稳定性。     

用于城轨直流牵引系统的混合型MMC全桥子模块比例设计方法

城市轨道交通直流牵引供电系统是一个低电压大电流系统,受制于开关器件的通流能力,两电平变流器的单台容量难以满足需求。由全桥子模块和半桥子模块组成的混合型模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）可用于调制比大于1的系统中,利用全桥子模块的负电平输出能力,可以提高交流电压或降低直流电压。针对可用于城市轨道交通直流牵引供电系统的混合型MMC,提出一种全桥子模块比例的设计方法,满足高调制比稳态运行的需求和直流故障清除能力的需求,选取了常见的1 500 V地铁系统作为算例,选取3组参数,在PSCAD软件中搭建仿真模型,验证了设计方法的正确性。     

风电经混合型MMC-HVDC并网的交直流故障穿越策略

为实现内陆大规模风电的可靠并网,采用高压直流输电技术和架空线路进行远距离电能传输是有效的解决方案。由于架空线易发生线路故障,采用具有故障自清除能力的换流器拓扑是主要解决途径之一。采用混合型模块化多电平换流器来进行风电并网,设计了不依赖于换流站间通信的并网系统交直流故障无闭锁穿越策略。系统无闭锁故障穿越期间并网点交流电压可控,风机可维持正常运行。考虑到故障期间风机持续并网输出功率,设计了耗散电阻和与风机内部斩波电阻相配合的策略,以耗散多余的能量。最后,通过PSCAD/EMTDC的多组仿真,验证了并网系统无闭锁穿越交直流故障及快速恢复的有效性。     

风电经架空柔性直流输电线路并网的交直流故障穿越技术

针对永磁同步风电机组远距离大规模并网的问题,研究了采用半桥型模块化多电平换流器(MMC)和直流断路器(DCCB)进行架空直流输电的并网方案。但架空线路故障率高,在发生直流侧故障、网侧交流故障时,基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)系统保护装置会动作,导致MMC闭锁,不能不间断运行。为解决MMC-HVDC穿越交、直流故障的问题,基于DCCB和耗散电阻,提出了一种MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越方案。在故障发生后,通过设计DCCB风电场侧MMC降压协调控制策略,以及高压直流侧耗散电阻和风电场侧制动电阻间的控制策略和配合方案,实现了MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越。最后,通过PSCAD/EMTDC下的多组仿真,验证了上述交直流故障穿越方案的有效性和正确性。仿真结果表明,所设计的穿越方案能够使MMC-HVDC系统在不闭锁MMC的前提下,安全穿越故障期;在故障清除后,系统快速恢复到正常运行状态。     

模块化多电平换流器桥臂电流分析及其环流抑制方法

为了抑制模块化多电平换流器(MMC)内部环流,对MMC桥臂电压的波动和环流产生的机理进行了分析,提出了一种抑制环流的补偿控制方法。MMC在进行功率交换时,由于桥臂电流的作用,导致子模块电容电压发生周期性的变化,采用平均值的方法分析得出子模块电容电压包含直流分量和交流分量。采用最近电平调制法进行换流器电压调制,由于子模块电容电压含有直流分量以及基频分量偏差,导致桥臂电压与期望值间存在基频偏差和二倍频等分量,从而产生环流。通过对桥臂电压与期望值的偏差量进行补偿,能够消除桥臂电压的偏差,从而抑制换流器桥臂间的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了11电平MMC双端直流输电系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。