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。     

基于电压向量合成的模块化多电平换流器控制策略

介绍了模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的拓扑结构与工作原理,提出一种基于电压向量合成的模块化多电平换流器型高压直流输电（modular multi-level converter based high voltage direct current,MMC-HVDC）控制方法.传统的模块化多电平换流器控制方法子模块投切频率高,相应的开关损耗也高.设计的电压向量合成控制法可以实现子模块工频开关投切,极大地降低了模块开关损耗.同时还针对该控制方法设计了模块均压控制策略和换流器闭环控制系统,在模块工频投切的同时模块电压也能得到良好的均压控制.仿真结果表明所设计的控制系统模块开关频率低,电压波动范围小,实现了功率的闭环控制,具备很好的理论研究价值和工程应用价值.     

适合于柔性高压直流输电系统的模块化多电平变流器的自适应均压方法

提出一种模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)的自适应均压方法。在每个控制周期中,根据桥臂电流绝对值的大小选择不同个数的功率模块进行轮换。此外,还推导并计算了采用该自适应均压方法的功率器件平均开关频率的解析表达式。通过160 k V/400 MVA的MMC仿真系统验证了所提出的自适应均压算法的有效性和平均开关频率计算的正确性。最后,在RT-LAB实时仿真实验平台中搭建了350 k V/1000 MW的MMC背靠背系统,对上述方法进行了实验验证。实验结果表明,采用所提出的自适应均压方法能够在保证功率模块电容电压均衡的前提下降低开关频率,提高系统效率。     

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。     

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。     

模块化多电平换流器排序频率优化设计

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因其独特的优势取得了广泛的应用,其中子模块电容电压均衡排序算法成为了热点话题。目前国内外大多数均压算法优化的目的都是为了降低时间计算复杂度和器件的开关频率。通过分析MMC子模块电容电压更新过程和波动原理,推导均压算法的最小排序频率计算方法,通过仿真研究均压算法排序频率对均压效果的影响,根据仿真结果对排序频率进行了优化设计。最后,将厦门柔性直流输电工程作为算例,在PSCAD/EMTDC中搭建模型进行仿真,验证优化设计方案的正确性。由仿真结果可知,论文提出的排序频率优化算法具有较好的均压效果,相比传统的时刻排序方法可以降低器件一半的开关频率,且能同时降低整体平均时间计算复杂度。     

基于改进的子模块电容电压均衡的MMC环流抑制

模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)应用于电压等级较高的工程,含电容电压波动的子模块数量大,传统排序算法的排序复杂度高、运量算大,且开关频率较高,难以满足实际工程需求。首先,分析均压原理,采用分组直接插入排序能较好地保持电容电压均衡。然后,分析MMC环流机理,推导出通过改变每相投入的模块总数,可以抑制环流。在此基础上,通过计算支撑直流侧电压的子模块数和抑制环流所需模块轮换数,得到需要改变状态的模块数,实现MMC的低开关频率、均压和环流抑制效果。最后,仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性。     

基于排序算法的MMC电容电压均衡策略对比研究

基于排序算法的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压均衡策略能够快速平衡模块电压,广泛应用于实际工程,但是实时排序会占据控制器大量计算资源,并且开关器件的高频动作将引起较大的开关损耗。为此,在保持模块电压均衡的同时,有必要着重关注均衡策略的时间复杂度和开关频率。在传统的排序算法均衡策略的研究基础之上,按照不同的优化目标将现有的改进策略分为3类,从不同评价指标对3类改进策略进行比较和分析。最后,探讨MMC均压策略的未来研究方向和发展趋势,为解决MMC模块电压不平衡问题提供借鉴。     

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。     

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。     

基于固定规则的MMC电容电压均衡策略

为了降低模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)电容电压均衡系统的结构和算法的复杂程度,在最近电平调制(nearest level modulation,NLM)的基础上设计一种简单的基于固定规则的电容电压开环均衡策略。将最近电平调制阶梯波的每一级按照时间均分,再根据固定的规则安排子模块投切顺序,并周期性地轮换。建立电容电压开环系统的全维状态空间模型,得出系统一致渐近稳定时各模块开关函数应满足持续充分激励条件的结论,使所提均压策略的稳定性可以得到保证。所提算法运算量小、易于实现,可有效简化电容电压均衡算法的复杂性,仿真结果验证相关结论的正确性和有效性。     

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。     

基于极值索引排序算法的MMC均压优化研究

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）正常运行的必要条件是直流侧维持稳定的工作状态,而对桥臂模块进行电压均衡控制是其控制的重要环节之一。针对传统均压策略在演算速度和开关损耗方面的劣势,提出一种基于极值索引排序算法的优化均压策略。根据子模块充放电过程的电压变化规律,在基于极值索引排序的基础上进行了重排序优化,实现了开关次数的降低。利用Matlab/Simulink仿真软件对二十一电平的MMC进行建模,通过对冒泡、混合、极值索引、优化极值索引四种排序算法进行仿真验证,体现了优化极值索引算法的明显优势,具体表现在具有较低的开关动作次数和优秀的演算速度。利用Visual C++6.0平台开发了C++算法程序,进行了模拟数据运算,已应用于MMC无功发生器控制中。     

模块化多电平换流器电容电压均衡混合预测控制

提出了一种模块化多电平换流器(module multilevel converter,MMC)子模块电容电压预测均衡控制的混合控制方法。根据子模块工作状态和换流器桥臂电流大小,得到下一动作周期子模块电容电压的预测值;以预测的电容电压绝对误差限值作为电压偏差量判据,得到下一动作周期的子模块投切方案。该方法保证了子模块电容电压的均衡性,同时有效降低了功率器件的开关频率。在PSCAD/EMTDC上构建了11电平MMC系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于算法优化的MMC子模块降频均压策略研究

伴随着应用电压等级不断升高,模块化多电平换流器子模块级联数目大幅增长,各子模块间的电容电压均衡问题尤为明显。高效的排序算法是作用于子模块电压均衡过程的核心模块,降低排序算法的时间复杂度可以有效减轻硬件控制器设计难度,提高系统可靠性。基于快速排序的Top K算法,在原有子模块投切策略基础上每轮排序只提取需要的前K个模块,并将有助于MMC均压的开关降频策略引入Top K算法进行深度优化,非全排序降频算法能够大幅减少排序次数,有效缩减程序仿真运算量。在多电平双端背靠背互联系统Simulink仿真模型中,验证算法封装子模块排序和降频实验效果良好。     

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.     

一种适用于MMC的闭环均压控制策略

子模块电压不平衡度和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关频率是模块化多电平换流器(MMC)均压算法的两个重要指标,因两者存在矛盾性一般需要根据系统实际运行情况权衡两者.这里提出了一种在闭环控制子模块均压效果的基础上自动优化开关频率的均压策略.通过分析MMC运行的基本原理,提出对同一桥臂上的子模块根据投入/切除状态进行分组,组内按照电压大小进行排序,然后将预设均压效果阈值与实际均压效果的差作为比例积分(PI)控制器的输入,PI控制器的输出为均压效果阈值,最后基于桥臂电流方向选择由子模块投入差值、分组排序结果和均压效果阈值构成的条件关系式,计算得到最小交换值.最小交换值是为保证预设均压效果需要进行投切交换的最少子模块数,以此刷新的触发脉冲可有效降低开关频率.最后通过构建半实物仿真平台验证了所提策略的有效性.     

基于投切状态矩阵的MMC系统电容电压均衡策略

为了奠定模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)自平衡的理论依据，构建了MMC状态空间模型，证明了MMC电容电压的一致渐进稳定性。研究了MMC电容电压非均衡状态下的静态工作点，揭示了投切状态矩阵的秩和MMC电容电压静态工作点之间的关联。基于投切状态矩阵自平衡理论，针对控制频率较低或子模块数量较多时轮换速度慢的问题，提出了一种基于投切状态矩阵分组轮换的电容电压均衡控制策略，能够有效降低电容电压的波动率。最后，在Matlab/Simulink中搭建了MMC电磁暂态仿真模型，验证了所证结论的正确性和所提方法的有效性。     

一种改进的模块化多电平换流器电压平衡方法

基于排序的子模块电容电压均压方法是目前应用于大容量模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型高压直流输电系统的主流均压方式,存在排序运算量大、开关频率高等缺陷,带来较大的硬件投入,降低MMC运行可靠性。针对上述问题,引入时间复杂度更低的基数排序,结合MMC运行特点,去除冗余关键字,降低时间复杂度,在此基础上,根据控制器所需投入子模块数m,优化子模块全排序为寻求m个子模块,去除冗余运算,同时提出重排序判据,使MMC控制器选择性地排序,减少排序频度,增大原有触发脉冲维持时间,降低开关频率。最后,在MATLAB/SIMULINK搭建21电平MMC模型,仿真结果表明,改进基数MMC均压算法能在较好维持电容电压平衡的同时,大幅减少运算量,降低开关频率,验证了改进均压方法的可行性与有效性。     

基于阶梯波调制的MMC电容电压平衡控制方法对比研究

针对阶梯波调制策略应用于模块化多电平变流器(MMC)时子模块电容电压的均衡问题,分析并比较两种典型的电容电压平衡控制方法。结合基于阶梯波调制策略的MMC工作机理的分析,详细论述开关序列轮换法和排序冗余选择法的基本思想和实施细则,给出两种控制方法在电压平衡效果、开关频率、算法结构和硬件要求四个方面的比较结果。依据相同的主电路参数,建立基于开关序列轮换法和排序冗余选择法的阶梯波调制MMC仿真模型和物理实验平台。仿真和实验结果表明,开关序列轮换法稳态表现良好,而排序冗余选择法有较强的暂态调节能力,后者具有较好的实用性和可靠性。