MMC控制系统中子模块控制器的设计

为了保证模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converters,MMC)的正常工作,实现电容电压的平衡控制,设计了MMC控制系统中的子模块控制器。首先阐述了MMC控制系统的总体结构和工作原理,介绍子模块控制器在MMC控制系统中的作用。然后介绍了子模块控制器的主要硬件模块和软件部分的设计,着重介绍了在硬件上实现对IGBT的欠压与过流保护和用软件产生带死区保护的PWM驱动脉冲。最后在基于MMC的直流/交流(DC-AC)变换器实验平台上验证了设计的子模块控制器的合理性和可行性。     

一种混合型输入串联输出并联直流变压器

现有基于多变换器输入串联输出并联(input-series output-parallel, ISOP)结构的直流变压器子模块大多采用单一模块,在实现灵活控制和高效率之间很难达到平衡.基于模块化技术,提出了一种基于CLLLC谐振变换器子模块和DAB变换器子模块的混合型ISOP结构直流变压器拓扑,分别利用CLLLC谐振变...     

模块化输入串联输出独立辅助电源系统及其输入均压控制策略

提出一种模块化辅助电源系统,可用于对输入串联输出并联(ISOP)或输入串联输出串联(ISOS)主电路系统各模块进行供电。电源采用输入串联输出独立的连接方式,采用这种连接方式的辅助电源系统能够使各模块集成到主电路系统各模块当中。针对ISOI系统所面临的输入均压问题,提出一种新型主从式输入均压控制策略,该策略可以使ISOI系统各个模块在控制上无互联,真正实现了组合系统的模块化设计且控制器设计过程简单。分析该控制策略的稳定性,给出控制器的设计过程并讨论系统各模块输出电压之间的关系。最后通过一台辅助电源样机验证了所提系统结构及控制策略的有效性。     

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(HI-MMC).首先,分析HI-MMC结构以及组成HI-MMC两种隔离型子模块的拓扑结构及调制策略,通过不同子模块的组合配置可使HI-MMC突破交/直流电压比的限制,实现各端口电压等级的灵活设计;同时,所提出的HI-MMC还具有单级式功率变换、控制系统简单、节约电容等优点;其次,研究不同电压比下各类子模块相应的配置方案,并建立单相HI-MMC系统平均等效模型;最后,通过搭建的一套10kW实验室HI-MMC样机验证了所提拓扑结构的有效性.     

一种新型结构的电力电子变压器

电力电子变压器是一种新型智能电力变压器,在配电网中应用前景广阔。本文提出了一种新的模块化电力电子变压器拓扑结构,将双向隔离DC/DC变换器与模块化多电平变换器子模块连接在一起,直接得到低压直流输出,并利用四桥臂变换器产生低压交流输出,这种结构方式更利于模块化设计,减小装置体积。文中给出了模块化多电平变换器,双向隔离DC/DC变换器以及四桥臂变换器的控制方法,最后通过仿真和实验验证了该拓扑的性能。     

基于回路成形的并联DC/DC变换器均流控制器设计

由于具有冗余性和模块化的特点,采用多个DC/DC变换器模块并联的电源系统被广泛应用于需要高可靠性供电的应用场合。但是,由于并联系统中各模块间参数差异引起的电流不均衡可能使得某些模块承担更多负载电流导致过载发热,而影响到整个电源系统的可靠性。因此,高性能的均流控制器对于多模块并联电源系统来说非常关键。将一个源于并联系统中单个模块电压环环路增益及其开环输出阻抗的等效传递函数作为均流控制器设计的被控制对象。将鲁棒H?回路成形设计法引入对均流环控制器的设计。仿真和实验结果表明该文所提出的设计方法是可行的和有效的。     

基于DAB的ISOP型蓄电池测试电源控制策略

针对传统测试电源多采用单向能耗式结构,存在充放电测试速度慢、能耗高的问题,提出以双有源桥(DAB)作为基本模块的输入串联、输出并联(ISOP)型直流变换器构成测试电源,并在充电的不同阶段提出ISOP-DAB变换器的恒流控制和下垂限压控制策略;提出的基于DAB的ISOP型蓄电池测试电源可以提高充放电速度、降低能耗,同时避免采用工频变压器造成的测试装置体积大、质量大的问题。研究测试电源中ISOP-DAB变换器的工作原理和建模方法,得到ISOP-DAB变换器的小信号电路应用等效模型。对比ISOP-DAB变换器的输入均压控制策略,选择模块化控制方法进一步研究,实现多模块的输入均压和输出均流的同时兼顾实现分段充电方式。最后,通过仿真实验验证了所提方法的有效性。     

基于模块化隔离型DC/DC变换器的海上直流风电场并网方案

与传统的海上风电场采用中压交流系统汇集电能不同,海上直流风电场采用直流系统实现电能的汇集和远距离传输。为减小海上风电场的投资,提高其运行效率,设计了一种基于模块化隔离型DC/DC变换器(MIDC)的新型海上直流风电场并网方案。首先,对三种可能作为MIDC子模块的DC/DC变换器进行了参数设计和对比分析,最终确定了LLC串并联谐振变换器作为MIDC子模块的拓扑。在此基础上,设计了MIDC的控制系统,在实现MIDC子模块间均压和均流的同时,实现了对风力发电机组输出功率的最大功率跟踪。最后,通过仿真验证了所设计的海上直流风电场并网方案的可行性和所设计的MIDC控制系统的有效性。     

一种双管反激级联式高位取能电源设计

在柔性直流输电系统中,高位取能电源为模块化多电平换流器(MMC)的子模块控制电路供电。随着直流输电系统电压的提升,子模块直流侧的电压也随之升高。为使高位取能电源适应更高更宽范围的输入电压,设计了一种基于双管反激的级联式拓扑。首先,介绍双管反激电路的工作原理、电流控制模式及工作模态;其次,基于变压器初级电流中位值,重新推导变压器AP值公式,与传统AP值方法进行比较;然后,基于南澳柔性直流输电换流阀的相关参数,对电源主电路进行设计。最后,搭建了一台输入电压为350～4 000 V,输出为一路400 V、两路15 V的电源样机,通过实验结果验证了设计的有效性和分析的正确性。     

基于电压前馈的DC/DC变换器双闭环控制策略

提出了基于非隔离型Weinberg变换器的航天器用电源控制器(PCU)中蓄电池放电调节器(BDR)的控制系统,应用状态空间平均法建立了Weinberg变换器动态小信号模型。为实现蓄电池整个工作范围内系统的稳定,提出了基于输入电压前馈的非隔离型Weinberg变换器的双闭环控制策略,设计了电流内环、电压外环,最后搭建了实验样机,实验证明系统具有良好的瞬态响应速度和整个输入电压范围的恒定带宽的优点,证明了模型的正确性和控制策略的有效性。     

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。     

基于多变量校正的MMC快速有限集模型预测控制策略

有限集模型预测控制方法(finite control set model predictive control, FCS-MPC)因其能够实现多目标的控制,在模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)中得到广泛应用。随着子模块数量增加,模型预测控制方法计算量呈指数增长,面临计算复杂度高、权重因子难以整定等问题。为了解决上述问题,提出了一种基于多变量校正控制集的MMC模型预测控制策略(multi-variate adjusting set predictive control, MAS-MPC)。该策略基于输出电流与桥臂电压差对子模块投入控制集进行快速校正,通过评估两个成本函数得到最优开关矢量。此外,提出了一种基于分化中项的电容电压平衡方案,可以有效降低排序算法的复杂度。为了验证所提策略的有效性,使用Matlab/Simulink软件平台搭建了10电平的三相MMC系统,并与传统方案进行比较。所提方案在降低输出电流与环流的谐波含量的同时,大幅减少了系统的计算量,使得系统具有更快速的动态响应速度。     

基于附加电平MPC的MMC环流抑制与子模块双重均压控制

针对模块化多电平变换器的相间环流与子模块电压波动问题,提出了基于附加电平模型预测控制的环流抑制策略,利用附加的补偿电平实现总子模块数的实时更新,达到环流抑制目的;同时,将相间均压与相内子模块均衡作为子模块的第一重均压控制,再将所投入的子模块电压排序处理构成第二重均压控制。通过分析模块化多电平变换器的桥臂环流与桥臂电压之间的关系以及子模块电压波动的弊端,提出了环流抑制与子模块均压控制策略。最后,在Matlab/Simulink中搭建了31电平的模块化多电平变换器系统仿真模型,验证了所提策略的可行性与有效性。     

基于主动电压抬升的光伏全直流汇集与送出系统网侧故障穿越策略

光伏(PV)全直流汇集与送出系统中,高压直流(HVDC)侧发生短路故障导致功率消纳能力下降,光伏无法及时感知故障而功率不变,导致系统过压停运。为解决此问题,提出了一种基于主动电压抬升的故障穿越策略,当高压直流变压器高压侧子模块电压上升到某一水平时,增加中压侧投入的子模块总数以提升中压直流电压,配合具有故障态P-V下垂特性的最大功率点跟踪(MPPT)装置,实现子模块未过压情况下最大功率点跟踪进入限功率模式,实现高压直流变压器端口功率平衡,达到降低子模块过压、完成故障穿越的效果。对所提策略下HVDC变压器子模块过压进行了分析,并仿真验证了策略的有效性和必要性。     

具有故障穿越能力的T型桥臂交替多电平换流器及其调制策略

针对常规模块化多电平换流器(MMC)难以兼顾直流故障穿越能力与系统经济性的问题,提出一种T型桥臂交替多电平换流器(T-AAMC)及其调制策略,其直流桥臂采用半桥子模块并配合桥臂移相的新型调制策略,有效降低换流器建造成本与运行损耗,同时由全桥子模块串联组成的交流桥臂实现了直流故障穿越.首先,介绍了T-AAMC的拓扑结构,再基于各桥臂能量平衡条件,明确T-AAMC的桥臂移相调制策略,进而分析了T-AAMC的运行参数与硬件配置;同时,设计闭环控制系统,实现交直流桥臂能量的动态平衡;然后,将T-AAMC与现有的MMC进行了对比,相比于混合型MMC,T-AAMC在子模块数量、功率器件数量、电容取值上均实现了削减;最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真平台,验证了拓扑、调制与控制设计的有效性.所提T-AAMC在正常工况下能够实现宽范围、高效率的能量转换,同时具有直流故障穿越能力,可保障系统持续可靠运行.     

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。     

模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究

模块化多电平型(modular multilevel)高压DC/DC变换器采用模块化结构,能够很容易通过子模块串联的方法得到较高的电压和功率等级,适用于高压大功率直流变压场合。该DC/DC变换器采用由两个模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)组成"面对面相连"的结构,其本身具有直流侧故障保护的功能,无需采用直流断路器进行保护,变压器的存在可实现了电气隔离。目前针对此拓扑结构的研究尚处于起步阶段,其基本运行方式仍是研究的重点和难点。本文具体描述了模块化多电平型高压DC/DC变换器的拓扑结构,并且分析了其本身具有直流侧故障保护功能的作用机理。在此基础上,从调制策略、电容电压平衡策略及功率控制策略三方面对控制器进行设计。最后,通过建立仿真模型和搭建单相结构的实验平台,验证了所提基本运行方式的有效性。     

电力电子变流器中的直接功率控制策略研究综述

介绍了直接功率控制(Direct Power Control,DPC)策略的产生背景与基本原理,归纳总结了DPC策略的发展现状。详细介绍了DPC策略三个子模块,即瞬时功率求解模块、功率内环模块、电压外环模块的具体实现方法,对比了每个子模块中各种方法的优缺点。总结了电力电子变流器中DPC策略的应用领域,并对其应用前景进行了展望。     

一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,?MMC)具备直流故障自清除能力和电容电压均衡能力,提出了一种新型并联双端口子模块：钳位双全桥子模块(clamp double full bridge submodule,?CD-FBSM)。该子模块器件成本和运行损耗较低,正常工作时相邻子模块之间具有多种协同运行模式,通过特有的并联模式可提高电容电压均衡度。故障闭锁时,模块内部电容并联、模块之间电容串联且反向接入电路,能够可靠阻断故障电流并均衡电容电压,有利于系统快速重启。此外,提出了三阶段故障电流阻断机理分析方法,对CD-FBSM的故障电流阻断过程进行了研究。通过Matlab/Simulink的仿真结果表明,所提子模块电容电压均衡度较高,可快速阻断故障电流,且故障电流阻断过程与理论分析一致。     

模块化多电平变流器HVDC输电系统控制策略

建立模块化多电平变流器（modular multilevel converters,MMCl的电磁暂态数学模型以及采用MMC为变流器的高压直流输电系统（high voltage direct current,HVDC）直流侧电压的动态数学模型。在此基础上,分析HVDC系统的直流侧电压动态特性,给出HVDC控制器参数协调设计原则和算法。最后,基于PscAD／EMTDc的数字仿真结果证明了所提出的HVDC控制系统参数协调设计原则和算法的正确性。