多电平变换器--高压大容量电能变换的新技术

在2004年第6期"电能质量控制"专辑成功出版的基础上,<电力电子技术>编辑部于北戴河全国电力电子年会上决定把"多电平变换器"作为二期内容,并于今年第5期出版,由我来担任本期特邀主编,本人深感荣幸和责任重大.现在奉献在大家面前的专辑,是经过全国同行专家集体努力的结果.     

模块化多电平变换器最近电平调制研究

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的调制方法直接影响其运行时的整体性能。最近电平调制(nearest level modulation,NLM)由于其多电平输出时开关频率低、易于工程实现等优点在中高压大功率场合得到广泛应用。文章针对传统NLM采用电容电压排序,根据电流方向选择相应子模块触发导通的电压均衡方法,在阶梯波形成过程中引入自变量的偏差值,调整近似函数,对发波过程的算法进行修正,使得输出电平数增加一倍,显著提高交流输出电压谐波特性;同时分析比较不同调制偏差量组合情况下的输出电压谐波水平,最后仿真验证了该方法的效果。     

模块化多电平变换器模拟仿真技术

为降低实时仿真器的成本,提高仿真性能,提出了一种针对功率变换器的实时模拟仿真方法,该方法具有天然的实时处理开关信号及模拟信号的能力,且其仿真速度与系统规模及复杂性无关。以电子模拟开关和运算放大器为核心,分别模拟实现了功率变换器数学模型中的开关函数和数学运算,并针对模块化多电平变换器(MMC)设计了MMC模拟仿真方法及电路,同时研发了MMC模拟仿真平台。通过仿真和实验验证表明了所提方法的可行性和有效性。     

基于新型模块化多电平变换器的五电平PWM整流器

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动抑制方法。采用叠加高频零序电压和相间环流的方式重构桥臂电压和电流,通过提高半桥臂输出功率的波动频率来减小悬浮电容的能量波动幅值,进而减小电容电压波动幅值。设计了一台三相五电平的实验样机并对上述控制方法进行了实验验证。     

基于IGCT的高压大容量三电平变频调速系统的研制应用

本文介绍了"基于IGCT的高压大容量三电平变频调速系统"的立项背景、研制历程和取得的技术成果,并阐述了该系统含有的一些主要的关键技术和应用情况。     

基于模块化多电平变换器的储能系统综述

储能系统是当前和未来新能源电力系统中的关键组成部分,储能系统的引入促进了电网结构的优化,实现了新能源的友好接入和协调控制。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)作为多电平换流器家族中的一员,在中高压大功率场合有着广泛的应用。对基于模块化多电平变换器的储能系统的研究情况进行归纳和总结。首先简要介绍了MMC的拓扑结构和技术特点,其次对各种储能技术的概况进行总结。然后着重讨论了储能单元接入MMC的方式和带有储能装置的MMC的调制策略、子模块电容电压均衡、主电路参数设计、控制方面等关键技术的研究进展情况。最后对基于模块化多电平变换器的储能系统研究的重点问题提出了建议。     

基于FPGA的模块化多电平变换器控制策略研究

模块化多电平变换器(MMC)是一种新型的拓扑结构,其主要应用在中高压领域.在分析MMC拓扑结构及其工作原理的基础上,以5电平为例,采用基于参考电压分解的电压空间矢量(SVPWM)调制策略,合理选择冗余开关状态,降低了1/3的开关频率.通过动态选择投入桥臂的子模块,实现了直流侧电容电压的平衡控制.并针对FPGA难以实现三角函数运算的特点,提出了一种新的方法进行扇区选择.最后分别在Matlab/Simulink和Xilinx XC3S400型号FPGA中进行了仿真和实验验证,理论分析与实验结果均说明了该控制策略的优越性.     

模块化多电平变换器混合调制策略

提出一种应用于模块化多电平变换器(MMC)的混合调制策略,该方法融合了最近电平逼近调制(NLM)与脉宽调制(PWM)策略。利用NLM算法求得输出电平数,引入子模块直流电压瞬时值对阶梯数进行修正,在此基础上求得PWM波,并确保在任意时刻MMC每桥臂中有且仅有一个子模块处于PWM,以减少系统损耗。与此同时,采用电容电压排序的方法选择PWM工作子模块,并对各子模块进行了电压均衡控制。样机验证了其正确性及先进性。     

混合背靠背模块化多电平变换器设计

近年来模块化多电平变换器在直流输电和电机驱动领域引起了广泛的关注。然而在电机驱动领域,输出低频时电容电压波动大的问题限制了其应用。提出了一种混合背靠背MMC拓扑,整流侧MMC采用全桥子模块和半桥子模块混合的结构,逆变侧MMC全部采用半桥子模块。分析了采用变直流母线电压的方法时电容电压的波动规律,并给出了系统的控制策略。电机在很大的转速范围内,电容电压波动基本恒定。最后,通过仿真验证了该拓扑结构及其控制策略的有效性。     

模块化多电平变换器模型预测控制

模块化多电平变换器以其优越的性能在中高压大功率电能变换场合得到了广泛的研究和应用。推导了模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的离散状态方程,针对MMC多输入多输出的非线性特性,提出一种基于有限控制集合的简化模型预测控制,可以有效减少模型预测控制所需的循环计算和预测值计算次数。所提模型预测控制由最优输出电平求解和电容电压平衡控制两部分组成。首先求取满足交流电流和环流控制要求的桥臂输出电压电平,并以此电平及其邻近的电平为有限控制集合,考虑上下桥臂电容电压之和与之差的控制,求得桥臂输出电平最优解;电容电压平衡控制则由电压预测值排序法实现,用电压增量表示附加的开关动作,修正电容电压预测值后再进行排序,实现电压平衡控制并降低平均开关频率。在PSCAD/EMTDC中搭建MMC时域仿真模型,仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

模块化多电平DC-DC变换器研究综述

模块化多电平结构相比常规箝位型多电平和级联型多电平结构,具有更好的模块化设计、高压应用、多电平输出等性能。基于模块化多电平结构的DC-DC变换器特别适合中高压大容量直流输配电及新型直流负载供电。首先介绍了模块化多电平结构的组成及特点;其次对现有模块化多电平DC-DC变换器的主要拓扑结构及相应的调制控制方法进行了详细的总结梳理,并分析了变换器的故障隔离保护机制;最后对模块化多电平DC-DC变换器的研究难点及前景进行了展望。已有的研究表明,模块化多电平DC-DC变换器以其优越的电能变换性能,在价值需求的牵引下必然引领新的直流输配电技术的革新高潮。     

混合式隔离型模块化多电平变换器

基于模块化多电平变换器(MMC)的电力电子变压器(PET)因其多端口接入、模块化结构、易实现电压拓展、输出波形质量高等优点受到广泛关注.但由于该PET中压交流侧电压由中压直流母线产生,使其中压交流端口电压始终限制在中压直流端口电压以下.该文结合模块化拓扑结构与单级式功率变换思想,提出一种混合式隔离型模块化多电平变换器(...     

模块化多电平变换器调制策略研究

模块化多电平变换器(MMC)具有可以输出任意电平数、谐波含量低、电磁干扰小、各个模块共用直流侧等优点,在近年来引起了广泛的关注。由于MMC存在着调制复杂和子模块电容电压均衡控制困难等问题亟待解决。针对此难题提出了一种新型的载波平移PWM调制策略,该策略将子模块电容电压的均衡控制整合到MMC的调制中,通过对三角载波的上下平移来改变与正弦调制波的交叉位置从而能够改变其对应的子模块的开关规律。在有效控制电容电压的同时降低了不必要的开关损耗。最后在MATLAB/SIMULINK下建立了模型,验证了该策略的合理性。     

并网模块化多电平变换器控制研究

模块化多电平变换器(MMC)的并网应用是其最重要的应用场合。首先推导出了MMC在dq旋转坐标系中的等效模型,不同于常规的电压源型变换器,该模型显示交流输入回路的电感和等效电容均对系统控制产生影响;然后选择电感和电阻上的电压为控制对象,将其他变量作为扰动变量,大大简化了对输入电流的控制;再在外环控制方面,引入电容能量作为变量,实现了系统的线性控制,建立了系统功率响应模型,推导出了系统传递函数;最后通过实验证实了所提的控制策略的正确性。     

基于最近电平逼近调制的模块化多电平变换器中高压变频调速系统运行控制

最近电平逼近调制(NLM)是模块化多电平变换器(MMC)中最常用的调制方式。电平数较少时,NLM的输出电压电流谐波严重畸变,使其无法用于电平数较少的变频调速场合。该文通过详细分析NLM下无差拍电流控制的开关过程,指出NLM调制下MMC无差拍电流控制具有滞环特性。定量分析了NLM下MMC无差拍电流控制的滞环环宽,得到了滞环环宽和输出电流波动范围的表达式。同时,设计了MMC背靠背变频调速系统的综合控制方案。与传统方案相比,所提方案具有控制结构简单、开关频率低、环流抑制容易实现和动态特性好等优点。在Matlab/Simulink中搭建了十一电平背靠背MMC中高压变频调速模型,验证了所提控制方案的正确性和有效性。     

基于模块化多电平变换器的多电飞机电源系统

多电飞机(MEA)电源系统电压等级高、额定功率大,且对可靠性、谐波含量、重量、效率等方面都有比较严格的要求,常规两电平变换器难以满足这些系统需求。为应对该挑战,提出基于模块化多电平变换器(MMC)的MEA电源系统。MMC具有可靠性高、谐波含量低、重量轻、效率高等特点,且具备优秀的故障穿越能力,已在中高压电力传输、船舶电力推进、电气化铁路、电动汽车等领域获得广泛应用。与以上领域相比,MEA电源系统的主要特点是频率远高于工频,由此带来更大的挑战。阐述了MMC的结构和运行原理,给出一套建模、控制、调制方法,并搭建实验系统进行验证,展示了MMC的运行效果,表明了MMC技术应用于MEA电源系统的广阔前景。     

基于模块化多电平变换器的高压直流输电故障特性与控制保护

风电并网基于模块化多电平变换器的高压直流输电(MMC-HVDC)交流电网侧发生短路故障,故障点交流电压的降低会使受端系统传输有功功率的能力下降,而风场侧功率传输基本不受影响,送端和受端有功功率出现差额,直流系统电压将持续上升,威胁系统安全.此外,如果MMC中部分子模块发生故障将导致换流器不能正常工作.为此,首先提出了可在直流侧并联安装采用统一控制的分散式小型卸荷负载来消耗直流系统无法消除的功率差额,从而维持直流系统电压的恒定;其次研究分析了换流器子模块故障特性,并提出了一种换流器子模块故障冗余保护策略.基于PSCAD/EMTDC仿真验证,通过将多余的能量消耗在分散式小型卸荷负载上,有效地抑制了直流过电压,保证整个柔性直流输电系统在故障期间短时运行,最大限度地保持功率的传输;采用子模块冗余保护策略可使换流器具有一定的故障容错能力,不因一个或少数几个子模块的故障影响整个装置的运行,提高了系统可靠性.     

模块化多电平高压DC/DC变换器的电感参数设计

中高压大容量DC/DC变换器可以实现不同电压等级直流电网线路的互联,是直流电网中的关键设备之一。该文研究了基于隔离型MMC-DC/DC变换器的电感取值的计算方法和选取原则。通过建立基于交流电压源和电感串联等效电路的数学模型,研究了电感大小对变换器运行特性的影响,进而提出综合考虑功率传输效率限制、交流电流谐波特性以及变压器容量和绝缘设计等因素的电感参数设计方法。最后采用PSCAD/EMTDC仿真软件对设计实例进行验证分析。仿真结果说明该文提出的电感参数设计方法的有效性,同时验证了该文关于电感大小对变换器电气量影响分析的正确性。     

高压大容量五电平变换器在RPC中的应用

针对电气化铁道电能质量存在的负序、谐波和无功问题,借鉴日本模式,提出了基于新型YNvd平衡变压器的电铁功率调节器RPC(railway static power conditioner)。为了适应牵引负荷高电压、大容量的需求,RPC主要由2个背靠背的单相二极管箝位型五电平电压源变流器构成,可以实现有功平衡、无功补偿和谐波抑制,使得牵引供电系统相对电力系统而言是一个三相对称纯阻性网络。此外还采用一种新颖的辅助稳压电路来解决二极管箝位多电平结构固有的直流侧电容均压问题。最后用Matlab/Simulink仿真验证了该方案的可行性。     

基于混合模块化多电平变换器的中压变频器设计

模块化多电平变换器(MMC)被广泛应用于高压直流输电领域,但其在中压变频调速系统中应用时存在电机低转速时电容电压波动较大的问题。针对该问题,本文设计了一种新型混合MMC拓扑结构,基于此设计的中压变频器能显著降低电容电压波动,尤其是在电机较低转速运行时。此外,新型拓扑不会引入共模电压,从而无绝缘和轴承电流问题,同时电流应力在整个转速范围内将保持在限值内,故设备效率较高。基于新型混合MMC拓扑的工作原理,设计了相关控制器。最后,搭建了变频器原理样机进行了相关试验,试验结果验证了所提出新型混合MMC拓扑的性能。