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。     

模块化多电平变换器环流及电容电压的稳态解析表达式

环流谐波及电容电压波动是模块化多电平变换器(MMC)的一个重要研究课题。本文通过一个MMC的等效模型推导出了由输出电流引起的环流谐波及电容电压波动的解析表达式,指出环流谐波本质上是存在于系统直流侧的谐波电压引起的激励,分析了环流谐波相生的原理。根据表达式,分析了系统参数对环流谐波的影响,得出结论,即环流谐波幅值随系统频率等参数的变化呈谐振特性。最后通过仿真研究证实了所提表达式的正确性。     

混合MMC电容电压波动差异机理及抑制策略

降低模块化多电平换流器(MMC)中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对子模块电容器容值、体积、成本的需求,具有重要的研究价值。文中首先分析了混合MMC过调制下半桥子模块与全桥子模块的电容电压波动特性以及两种子模块间的波动差异产生机理,确定波动差异对应的能量积累区间。然后分类讨论三次谐波电压注入后桥臂参考电压的极值点分布和过零点分布,建立三次谐波电压注入系数、调制比与波动差异抑制能力的关系。在此基础上,以减少半桥子模块与全桥子模块电容能量积累差异为目标,对三次谐波电压注入量进行优化设计,提出了基于三次谐波注入优化的子模块电容电压波动差异抑制策略,并给出电容容值降低的计算示例。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端混合MMC模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

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。     

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。     

外加注入信号的MMC子模块电压波动抑制策略

针对模块化多电平换流器(MMC)子模块(SM)电容电压波动问题,提出一种注入共模电压与环流的MMC SM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MMC SM的数学模型推导出注入共模电压后的桥臂功率解析式,从减小桥臂功率波动角度提出了一种高、低次环流抑制策略,实现注入共模电压与环流的MMC SM电压波动抑制.实验结果显示该策略可有效减少SM电容电压波动幅值.     

基于二次谐波环流注入方法的混合MMC电容电压平衡控制策略

当高压直流输电系统直流侧电压降低时,混合模块化多电平变换器(MMC)将工作在过调制状态,面临电容电压不平衡的问题.分析过调制状态下混合MMC中半桥与全桥子模块电容充放电过程与能量变化,提出一种简化的二次谐波环流参考幅值的生成方法.采用二次谐波环流注入方法避免混合MMC中半桥与全桥子模块电容电压不平衡的发生,实现半桥与全桥子模块电容在一个周期内的充放电平衡,使混合MMC在直流电压降低时继续传输有功功率.仿真与实验结果表明,所提出的二次谐波环流注入方法能够有效实现混合MMC在过调制状态下的电容电压平衡.     

一种MMC子模块电容电压波动最小化容值优化方法

模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)广泛应用于直流配电系统。MMC由多个子模块组成,减小子模块电容可以降低子模块成本,提高变换器功率密度。分析了共模电压、环流和调制比对电容电压波动的影响,利用电容电压波动的解析表达式,通过注入合适幅值和相位的三次共模电压和二、四次环流,选取最优调制比,使目标函数电容电压纹波达到最小化,从而在一定电容电压波动率下使其电容取值达到最小化。采用所提方法可以使子模块电容容值的需求降低至常规方法的22%,变换器功率损耗降低至常规方法的87%,而开关管电流应力与现有方法相比只增加0.5%。RT-LAB实时仿真结果验证了所提理论的正确性和可行性。     

MMC变流器模块电压波动对输出电压的影响

为了研究模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)模块电压波动对输出电压的影响,建立了MMC的数学模型,忽略调制算法引起的高次谐波,推导了变流器输出电压的解析表达式,并针对MMC变流器实际应用过程中常采用的谐波抑制算法,简化了变流器输出电压表达式。分析表明,MMC变流器模块电容电压波动将会在输出电压中引入奇次谐波,同时将使得输出电压实际值与给定值之间出现偏差。为了度量偏差大小,定义了模块电容电压波动系数,并证明偏差大小取决于模块电容电压波动系数与输出电压调制度的比值。为了使得变流器能够正常工作,该比值应控制在一定范围以内。仿真实验的结果证明了理论推导与分析的正确性。     

注入共模电压与环流的MMC电压波动抑制策略

模块化多电平换流器(MMC)的子模块(SM)电容电压波动问题一直受到广泛关注.为减小SM电容电压波动,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SM的MMC数学模型推导了注入共模电压后的桥臂功率解析式,从减小桥臂功率波动的角度提出了一种环流注入策略,并且给出了一种环流参考值计算方法.最后通过搭建的三相17电平MMC DC/AC实验平台对所提策略的有效性进行了验证,实验结果表明,所提方法可大幅减小SM电容电压波动幅值.相比于传统环流抑制策略,以环流峰值提升19％的代价使SM电容电压波动减小了 53.3％,相比于单一环流控制策略,SM电容电压波动减小了 36.4％.     

基于连续模型的MMC环流谐振分析

模块化多电平变换器(MMC)未来在中高压能源转换领域潜力巨大。桥臂环流的存在是MMC区别于其它多电平变换器的重要特点,子模块电容和桥臂电感参数设计不合理会导致变换器发生环流谐振。首先,依据MMC连续模型,由桥臂电流和正弦调制的相互作用推导出子模块电容电压的解析表达式,子模块电容电压存在不同频率的交流波动分量进而导致桥臂电流中出现不同频率的交流环流;然后,通过分析不同环流谐振频率之间的关系得到避免2倍频环流谐振的元件参数设计依据。最后,利用Matlab/Simulink搭建MMC时域仿真模型验证了理论分析的正确性。     

基于子模块电压估计的MMC调制与控制

针对模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）采用直接调制会导致谐波环流的问题,提出了一种基于估算子模块电压的新型调制算法：首先估计各桥臂所有子模块的平均电压,然后以估算的子模块电压为参考值,利用最近电平逼近法得到各桥臂期望投入的子模块数。针对MMC直流回路阻尼偏小的问题,设计了直流回路辅助控制器以增大直流回路的阻尼。最后搭建了三相71电平MMC仿真模型,对提出的调制算法和辅助控制器进行了仿真验证,结果表明：所提出的新型调制算法可有效抑制MMC的谐波环流成分,抑制效果优于直接调制算法;辅助控制器有效增大了MMC直流回路的阻尼,改善了直流电流的动态响应性能,与新型调制算法配合使用可进一步消除环流波动成分,且在交流系统不对称情况下亦可有效抑制直流电流的波动。     

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。     

基于MMC的柔性直流输电电容电压波动抑制方法

经过分析模块化多电平换流器上下桥臂电流成分以及子模块电容电压波动特性,计算桥臂子模块电容2倍频电流,提出了一种抑制柔性直流输电电容电压波动的方法。该方法通过向桥臂中注入2倍频电流来抑制电容电压波动。设计了2倍频谐波注入控制器,通过控制桥臂中2倍频环流的大小来达到最优化减小子模块电容电压波动。通过PSCAD仿真比较了环流抑制为零和注入二次谐波情况下的电容电压波动大小,并对电容电压波动进行了谐波分析,验证了所提出方法的正确有效性。     

Circulating current mitigating scheme in MMC based HVDC system with H∞ repetitive controllers

The Modular Multi-level Converter (MMC) topology is one of the most important switch mode converter topology and provides indispensable potential applications in the power systems industry, specifically, for High Voltage Direct Current (HVDC) transmission systems. Recent applications of MMC in HVDC transmission systems has posed problems such as circulating currents in the converter legs, which threatens the safe operation and also deteriorates the system’s performance. The circulating currents occur mainly due to the fluctuations in the capacitor voltages in the Sub Modules (SMs) of the MMC. Hence, in order to nullify the SM’s unbalanced voltage, this article aims to use a new counting sort based technique in conjunction with Carrier Phase Disposition Pulse Width Modulation Technique (CPD PWM). The increased harmonic content in the output voltage and current waveforms may be attributed to the unpredictable dynamics of capacitors. To address this, the article also proposes a cascaded voltage and current H^∞ repetitive control scheme under normal and fault conditions. This entire scheme has been applied for back to back connected HVDC systems for mitigating the Total Harmonic Distortion (THD) in current and voltage respectively. Further, stability analysis for the proposed controllers has been performed to prove its robust operation and finally all the results have been explored.     

适用于模块化多电平变换器的改进调制策略研究

在介绍模块化多电平变换器基本运行特性的基础上,分析了传统的最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation,NLM)策略,针对传统的NLM调制提出一种优化改进策略,该策略能够将变换器的输出电平数由N+1提高至2N+1,有效降低变换器输出电压的谐波含量,提高变换器输出性能。同时,所提调制策略还能够降低子模块电容电压的波动,有利于延长电容器的使用寿命。最后,在PSCAD/EMTDC软件平台上建立了系统的详细仿真模型,验证了所提策略的有效性。     

大功率极低频电源谐波传导分析

极低频(ELF)电源在地下资源探测、地震预测和军事通信等领域发挥着重要作用。然而,极低频电源逆变侧产生的低频谐波分量难以被滤除,将在逆变侧输入端形成纹波电压,恶化极低频电源的输出谐波特性。低频谐波分量还将渗透直流滤波网络向整流侧和电网传导,造成整流输出端电感电流波动,并在网侧电流基波和特征次谐波附近产生低频相关的边带谐波。建立了极低频电源的数学模型,重点关注逆变侧输入端电容电压和整流侧输出端电感电流,对低频谐波传导进行了分析,并对理论分析进行了仿真验证。     

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。     

新型模块化多电平变换器电容电压波动规律及抑制方法

模块化多电平变换器以其结构模块化、不需要变压器以及易于扩展到高电平等优点,成为近年来研究的热点.本文针对一种新型的模块化多电平变换器拓扑研究了其悬浮电容电压波动规律.首先从半桥臂的输出功率入手,分析了其功率脉动和一个周期内的能量变化,给出了电容电压波动幅值表达式.针对电容电压在低频下波动较大的问题,提出了一种电容电压波...