模块化多电平换流器子模块拓扑设计及其控制

根据直流故障电流切断位置不同,首先分析基于交流断路器、直流断路器和模块化多电平换流器子模块拓扑的3种故障抑制技术方案及其特点。然后从切断故障电流角度出发,利用双向可控开关对半桥拓扑进行改进设计以抑制直流故障,并与传统半桥子模块相结合构成混合双子模块拓扑以降低单位电平成本和运行损耗。同时研究在闭锁期间混合双子模块内部电容不均衡充电所导致的电容电压不平衡问题及其应对策略。最后在PSCAD/EMTDC中搭建两端仿真模型,对混合双子模块拓扑直流故障抑制特性及电容电压控制策略进行仿真验证。     

模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析

新型模块化多电平换流器(MMC)在直流输电和电能变换领域得到了广泛的研究与应用。但是,由于子模块采用了半桥型拓扑,在直流侧线路故障时,MMC不具有直流故障自清除能力。文中在不改变现有MMC调制和均压策略的前提下,利用续流二极管反向阻断特性和桥臂模块电容充电效应,设计了改进复合拓扑结构,解决了半桥拓扑中电容单向充电问题。通过分析闭锁时储能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系,定义了反映子模块故障抑制能力的电流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同,设计了自励启动方法。仿真结果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。     

模块化多电平换流器改进拓扑结构及其应用

模块化多电平换流器(MMC)作为实现多电平换流器的一种新的拓扑结构,具有高度模块化、维护间隔长、输出波形谐波含量低等优点,因此在中高压电能变换和高压直流输电领域得到了广泛的应用和研究。而传统的半桥型子模块结构在直流侧发生故障的时候,由于所并联前向二级管原因,当IGBT闭锁时,不能够实现直流侧故障电流的阻断功能,从而对其应用带来了一定的不利影响。本文总结了现有的子模块拓扑结构的特点,通过分析MMC直流侧故障时桥臂电流与模块电容的充放电关系,对传统的半桥型子模块拓扑结构进行了改进,设计了串联双子模块闭锁拓扑结构,从而在不影响控制策略的基础上实现了直流侧故障电流阻断功能。最后以改进型拓扑结构为例,搭建了仿真模型,对直流侧故障特性以及相应的控制策略进行了分析验证。     

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块（半桥、全桥结构子模块）的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25％的IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在PSCAD仿真环境中搭建基于NLM的11电平两端MMC—HVDC输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。     

模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略

阐述了模块化多电平换流器(MMC)子模块故障类型,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块故障、直流电容故障和控制信号故障。分析比较了3种子模块冗余容错方案的优缺点,选择采用对MMC影响较小的子模块热备用的冗余容错方案。该方案的缺点是MMC运行于不对称状态,导致MMC直流电流出现波动。为此,在推导MMC冗余运行状态的基本数学模型、得出桥臂能量数学表达式的基础上,提出了基于桥臂能量平衡的冗余容错控制策略来抑制直流电流的波动。在时域仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了61电平MMC模型,仿真结果验证了提出的冗余容错控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器模块冗余优化配置方法

针对模块化多电平换流器(MMC)提出一种模块冗余优化配置方法,该方法主要是从提高系统可靠性和冗余子模块有效利用率以及减少冗余子模块数量这3个目标出发,建立多目标优化函数,进而求解得到最优冗余子模块数量。分析了MMC的拓扑结构及其子模块的工作原理,在研究模块冗余保护方案的基础上,详细给出模块冗余优化配置方法的具体步骤,并将其应用到工程实际中进行分析。仿真结果表明该方法可简单、有效地配置冗余子模块数量,在保证系统可靠运行的情况下,节约成本,验证了该方法的有效性和可行性。     

模块化多电平换流器子模块电流分配关系分析

对适用于柔性直流输电的模块化多电平换流器(MMC)桥臂电流在子模块(SM)内部功率电路中的分配关系进行数学分析,提出SM平均状态方法,建立SM平均开关模型,推导出SM内部平均状态电流的数学解析表达式,得出SM离散电流的主要谐波成分及幅值,并进一步分析了换流器分别在有功和无功运行工况下SM电流的分配关系。试验结果表明,以上分析方法准确可行,该方法可有效应用于MMC柔性直流输电换流器阀SM的器件选型、损耗计算及热设计的理论指导。     

模块化多电平换流器子模块故障快速诊断方法

为了提高模块化多电平换流器(MMC)的可靠性,当故障发生后,需要迅速检测并定位子模块故障。分析了故障诊断存在的快速性问题,提出了一种快速的故障诊断方法。故障检测采用基于改进的预测模型的方法,通过比较桥臂电流预测值与测量值的差值是否大于阈值来判断故障,故障定位采用比较子模块电容电压斜率的方法来判断故障,可以快速地定位多个子模块故障,且无需外加传感器,结构简单易实现。最后,搭建了MMC仿真和实验平台,验证了该方法的可行性。     

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。     

MMC子模块电容电压改进控制方法的研究

介绍了模块化多电平换流器电容电压测量及均压原理,指出传统的电容电压控制下,当桥臂子模块数目过于庞大时,电压传输信号较多,增加了控制器设计难度。针对这一问题,提出了一种改进的电容电压测量方法,该方法中参与控制的电压信号数量仅为传统测量方法的一半,有利于降低控制系统的设计难度,减轻控制器工作负担。首先详细介绍了电容电压改进控制方法下的模块拓扑结构和电压测量原理,然后在此基础上,设计了改进电容电压排序算法,减少传统排序过程中不必要的运算量,在数据处理过程中进一步优化控制器运算,保证换流器稳定运行。最后搭建了仿真模型,验证所提策略的正确性和有效性。     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

一种新型模块化多电平换流器电平数倍增方法研究

文章提出了一种新型的模块化多电平换流器拓扑结构。在传统模块化多电平拓扑结构的基础上,用3个新的子模块替换掉原桥臂上的一个常规子模块,新子模块电容值为常规子模块电容的2倍。并且提出了相应的控制策略,新子模块电容电压为传统子模块电容电压的一半,可以将桥臂电压的电平数由N+1提高至2N+1。并在此基础上采用改进型最近电平调制策略,最终将交流侧相电压电平等级提高至4N+1。同时在MATLAB/Simulink环境下,根据提出的拓扑结构和控制策略搭建了系统仿真模型。仿真结果表明,该方法在子模块较多的情况下能有效降低硬件成本、提高供电质量。     

模块化多电平换流器IGBT模块失效机理和状态监测研究综述

全控型绝缘栅双极晶体管(insulated gated bipolar transistor, IGBT)模块作为模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的核心功率器件,其失效机理研究和状态监测技术对保证MMC的运行可靠性具有重要意义。IGBT模块劣化引起的运行参数失真和内部结构异常将严重影响MMC的工作性能。目前IGBT模块状态监测综述较多,但缺乏对MMC中IGBT模块状态监测的相关总结。首先分析了MMC的结构特性与工作原理。然后根据焊接式和压接式两种类型IGBT的失效机理,总结了IGBT模块的状态监测技术,并补充了MMC子模块中IGBT模块的状态监测方法并进行分析。最后针对目前研究中存在的不足,结合当下的研究现状,展望了未来柔性直流输电系统中IGBT模块状态监测与评估的研究方向。     

基于微分平坦理论模块化多电平换流器环流抑制控制方法

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Convert,MMC)三相桥臂相间环流问题,基于微分平坦理论推导出一种环流抑制控制模型。通过分析MMC相间环流的产生本质,根据微分平坦理论的定义,选取系统的输入,输出和中间量,证明了设计出的环流抑制控制器满足微分平坦理论的条件。基于该理论设计的环流抑制控制器,能够大大降低桥臂电流中的环流分量,使其更接近正弦波。最后通过Matlab/Simulink搭建了相应的MMC仿真模型,在未影响MMC外部电压电流的情况下,仿真结果证明了该环流抑制控制模型的有效性,为环流抑制控制器的设计提供了一种新的思路。     

直流侧故障对模块化多电平换流器的影响研究

对于直流侧双极性短路故障,首先分析了故障通路对电容闭锁充电以及故障对交流侧功率的影响,然后对如何减少故障对交流侧无功的影响提出了建议。对于直流侧单极接地故障,通过仿真换流站不同接地电阻下,故障对系统稳定性的影响,对接地电阻的选择提供了建议。对于直流侧断线故障,分析了故障发生后控制器的作用,并给出了不同控制方式下,故障对系统稳定性的影响。此外,就双极短路和断线故障后闭锁时刻对系统的影响进行了分析。最后,在PSCAD/EMTDC中建立HBSM-MMC模型验证了分析的正确性。     

用于风电的模块化多电平变流器IGBT的定制化设计

模块化多电平换流器(MMC)已广泛应用于风力发电系统中,其中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的设计直接影响着系统的各项性能。而IGBT模块的设计选型缺乏理论指导,存在IGBT模块裕量选取过大造成的成本浪费现象,因此文中提出一种基于双目标优化的IGBT的定制化设计方法。首先以损耗和芯片成本作为IGBT定制化设计的指标,结合风力发电的年运行工况,根据风速的概率分布来评估IGBT损耗,通过双目标粒子群算法求得Pareto前沿。最后,分别采用IGBT模块和分立元件2种方法进行定制化设计,结果表明所提设计方法在降低器件成本的同时可以兼顾变流器的损耗和可靠性。     

基于模块化多电平的柔性直流系统故障稳态特性分析

直流故障稳态特性对直流电网设计、保护配置以及一次设备选型等具有重要意义。针对模块化多电平的柔性直流系统,考虑了桥臂电抗对两极短路故障不控整流稳态运行期间换相重叠的影响,分析了可能出现的换相重叠角范围及各自对应的故障场景。针对不同的换相重叠角范围,分析了相应的桥臂导通工作情况,并据此推导出直流故障后稳态阶段直流电流、电压、桥臂电流、交流电流的精确计算公式。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了基于模块化多电平的柔性直流输电系统模型,通过不同故障距离的仿真算例验证不同换相重叠角范围下理论计算的准确性。     

模块化多电平换流器功率模块故障鲁棒检测

介绍了一种模块化多电平换流器功率模块的故障鲁棒检测方法。针对功率模块模型的不确定性,建立了故障检测的自适应阈值区间。分析了功率模块动态特性的等张性,利用顶点算法构造了不同不确定因素的响应轨迹区间,用所有不确定因素的响应轨迹曲线的上下外包络线形成故障检测的自适应阈值区间。该方法对所考虑的不确定因素具有鲁棒性,而对故障保持了敏感性,能有效降低故障检测的误报率和漏报率。仿真实验验证了该方法的有效性。