基于模块化多电平的静止无功补偿器故障容错控制

提出了一种基于模块化多电平（MMC）技术的新型静止无功补偿器（STATCOM）的拓扑结构,指出该拓扑结构具有模块化程度高、可靠性好、便于维护及容量拓展等特点,是一种极具发展潜力的拓扑结构。考虑到模块化多电平换流器各桥臂由大量子模块级联而成,容易出现可靠性问题,在对已有级联H桥多电平换流器容错保护方案分析的基础上,提出了适合基于模块化多电平结构的静止无功补偿器的故障容错策略。该方法通过将冗余子模块设置在热备用状态,可以在子模块发生故障时迅速投入冗余模块,从而保证静止无功补偿器的正常工作。在此基础上,进一步根据发生故障模块数,采取多目标控制策略,最大化地提高了静止无功补偿器的工作范围。时域仿真的结果表明,所提出的故障容错控制策略可有效地提高了静止无功补偿器的运行可靠性,具有一定的工程意义。     

模块化多电平换流器故障容错控制策略

模块化多电平换流器型轻型直流输电系统,其拓扑结构中各桥臂级联了大量子模块,系统运行时容易出现可靠性问题。针对桥臂冗余子模块耗尽的情况,基于桥臂能量均衡和最近电平调制提出一种桥臂子模块对称切除及系统运行于不对称状态的控制方法,保证了系统不间断安全稳定运行。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了21电平两端有源的模块化多电平换流器型轻型直流输电系统模型。仿真结果验证了所提出的故障容错控制策略的正确性和有效性。     

基于综合能源系统的固态变压器中开关器件故障特性分析与诊断

综合能源系统是主动配电网实现能量综合管理的重要手段与工具,其可靠性与该系统中大量应用的固态变压器的可靠性直接相关.该文针对配电网固态变压器的输入级、中间级和输出级中开关器件开路故障和短路故障开展研究,并对其故障后电压和电流畸变进行分析.以配电网固态变压器中由级联多电平变换器组成的输入级、中间级和输出级的基本工作原理及运行方式为基础,研究了其开关器件在各个故障下电压和电流的畸变,并总结其故障机理和故障特性,通过建立特定波形畸变和故障点位置与类型之间的关系,辨识开关器件故障的位置与种类.最后通过仿真对故障特性进行了验证,并提出了基于故障机理和故障特性的开关器件故障诊断方法.     

模块化多电平直流变压器容错控制策略

为了提高模块化多电平直流变压器子模块故障后的容错能力,该文提出一种基于单侧双重移相控制的模块化多电平换流器（MMC）型直流变压器容错控制策略。首先,针对MMC-H桥型直流变压器,分析了双重移相控制下的工作原理与功率模型,研究了发生子模块不对称故障后的系统运行特性,揭示了旁路故障子模块导致系统桥臂电压不对称、子模块电压不稳定与环流波动的机理;然后,以单侧双重移相控制为基础,将一次侧桥臂内和桥臂间的移相角作为控制量,提出一种MMC型直流变压器容错控制策略,通过平衡故障桥臂平均子模块电压,解决桥臂不对称引起的系统不稳定问题,抑制了桥臂环流波动;最后,在Matlab/Simulink平台搭建了每个桥臂10个子模块的变压器模型,对单侧双重移相下的稳态控制与子模块故障后的容错控制进行仿真,验证了所提容错控制策略的有效性。     

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。     

基于级联H桥变换器的电池储能系统容错控制

基于级联H桥变换器的电池储能系统广泛应用于中压电网,以解决可再生能源接入电网引起的电能质量问题,由于级联H桥变换器中使用了大量功率开关器件,其可靠性问题至关重要。针对常见的单管开路故障,提出一种容错控制方法,使故障H桥模块不退出运行,由全桥模式无缝切换至容错模式并输出额定交流电压的一半。此外,为实现故障后所有H桥模块中电池单元的荷电状态均衡,在提出容错控制方法的基础上,提出了由总功率控制、容错控制、相间功率平衡控制以及相内功率平衡控制组成的4层系统控制方法。在MATLAB/Simulink软件中搭建了仿真模型,验证了提出控制方法的可行性和有效性。     

中压大容量三重化三电平直流变换器冗余容错控制

三重化三电平直流变换器适用于高压直流输入、大电流直流输出的应用场合,其多模块交错并联组合的特点可有效提高系统工作的可靠性。为了切实体现这一优点,需实现该系统的冗余容错运行。首先从理论上分析交错角对系统冗余容错运行的影响,计算得到交错角的最佳值;继而提出一种电压电流双闭环PI控制加实时调节交错角的冗余容错控制策略,该控制策略依托于变换器的光纤环网通信分布式控制系统,保证了各模块的对等独立和功率均分,实现了变换器的冗余容错运行。最后通过一台MW级样机验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

基于CPS-SPWM调制方法的MMC-HVDC输电系统冗余保护策略研究

子模块故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统最常见故障之一。为保证子模块故障后MMC-HVDC系统能够稳定工作,本文首先对子模块故障后桥臂电流、桥臂间环流及直流侧电流的影响进行数学分析,确定了MMC子模块容错方案;然后将子模块冗余控制与带有电容均压控制和环流抑制控制的载波相移脉宽调制(CPS-SPWM)方法相结合,设计了基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略;最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端10电平的MMCHVDC输电系统模型。通过对模型进行稳态仿真以及子模块故障时的暂态对比仿真,验证了本文所提出的冗余保护策略的正确性和有效性。     

一种改进的模块化多电平换流器电压均衡控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)以其优越的整体性能在大规模电网互联等领域具有广泛的应用前景。文章首先分析了MMC系统的工作原理,并结合一种冗余配置方法来确定MMC桥臂级联子模块的最优数量。基于最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)算法,提出一种冗余子模块优先充电的MMC电容电压均衡控制策略,确保冗余子模块电压水平能够保持最低允许值,从而实现与故障子模块的平稳切换。最后,基于PSCAD/EM TDC平台搭建M M C仿真系统,验证了文章提出的改进的电容电压均衡控制策略的有效性。     

三电平单元电力电子变压器容错运行技术

基于三电平单元的电力电子变压器具有功率模块少、功率密度高等优点,在数据中心不间断电源、铁路配电系统、超级充电站等场景中应用前景广阔。然而,电力电子变压器中开关器件多,器件故障引发的故障模块切除动作将导致系统容量损失,易引发系统失稳、故障越界等问题。针对该问题,文中提出了一种基于故障模块、故障相与非故障相协同的三电平容错运行技术。首先,采用开关组合列举法分析了不同故障类型下三电平单元H桥的共性故障结果,并基于部分器件旁路实现了故障模块重构和容错运行。其次,提出了相内协同控制策略,实现了故障模块电容电压的稳定与均压控制,并通过相间协同控制实现线电压平衡,共同保障电路正常运行。最后,针对不同故障结果提出具体的容错控制方法,并通过仿真验证了所提容错方法的有效性。仿真结果证明了容错控制下电力电子变压器能稳定运行。     

MMC子模块故障后线电压恢复容错控制策略

模块化多电平换流器(MMC)桥臂无冗余子模块(SM)时,SM故障将导致故障相电压输出能力降低,进而导致MMC输出线电压不平衡。为恢复故障后无冗余MMC输出线电压特性,提高非故障桥臂SM利用率,文中基于中性点转移(NT)与直流分量注入(DCCI)控制,提出应用于无冗余MMC的SM故障容错控制策略。该容错策略通过NT控制,调整三相电压相角,确保输出线电压平衡。此外,文中提出三段式最优DCCI幅值计算方法。与现有方法相比,最优幅值DCCI能进一步提升非故障桥臂SM利用率,提高输出线电压幅值。基于PSCAD/EMTDC平台搭建三相MMC仿真模型,仿真结果验证了所提容错控制策略的有效性。     

电力电子变压器公共冗余结构及容错控制策略

电力电子变压器(PET)包含大量电力电子器件,其子模块故障率相对较高,严重影响了供电可靠性.为提高级联H桥型PET的可靠性及容错能力,针对级联H桥的结构及运行特点,提出了 一种双子模块公共冗余结构.该结构通过双向开关切换阵列灵活切换2个冗余子模块之间的连接方式,能够在PET内部任意单子模块和双子模块故障情况下实现备用功...     

采用基频零序分量注入的MMC换流器故障容错控制研究

针对模块化多电平变流器(Modular multilevel converter,MMC)冗余子模块在故障时存在耗尽的情况,提出了基频零序分量注入的故障容错控制方法。通过与中性点偏移相结合,保证即使出现冗余子模块耗尽,MMC仍能继续安全运行,解决剩余正常子模块承受应力不均衡问题,保障系统安全、可靠运行。同时,利于减少冗余备份量,并大幅度降低硬件成本和提高运行可靠性。经Matlab仿真验证了所提方法的正确性和有效性,为基于MMC的海上风电柔性直流输电变流器的可靠运行提供了一种有效的故障控制方案。     

基于直流储能的15电平混合级联变换器调制策略比较

多电平级联变换器由H桥子模块串联而成。将3个H桥子模块级联而成的传统级联7电平变换器的直流储能供电电压之比从1:1:1改为4:2:1,可得到一种改进版基于直流储能的15电平混合级联变换器。针对此调制策略进行研究,提出了一种新的适用于由直流储能装置供电的多电平变换器开关角度的算法。基于Saber仿真软件,分别应用阶梯波调制、PWM以及部分PWM 3种不同的调制策略进行验证和比较。最终,基于不加任何滤波器的输出电压总谐波失真、低次谐波分量以及该变换器开关损耗方面的仿真结果进行了对比,并对相应的调制策略进行了探讨。     

基于模块化结构的固态变压器硬件设计

固态变压器SST（solid-state transformer）在智能电网和电传动系统应用中有广泛的应用前景,但是其硬件实现与控制策略非常复杂,降低了在实际应用中的竞争力。为此,提出了一种基于模块化结构的固态变压器的硬件设计,其主电路采用级联式H桥CHB（cascaded H-bridge）整流器+双主动全桥DAB（dual-active-bridge）隔离型直流/直流变换器+并联H桥逆变器方案,由于整个主电路仅由H桥电路构建而成,系统的模块化程度大大提高。同时,针对这种硬件结构提出了模块单元控制器与辅助电路的设计,使得系统的模块化程度进一步提高。模块化结构的固态变压器设计不仅极大地降低了其建造成本,也简化了其控制器的实现,增加了灵活性与可靠性。     

基于多线圈变压器的DC-DC变换器闭环控制策略

级联式DC-DC变换器因具备高耐压能力的优势,被广泛应用于高压直流输电。在级联式变换器中,将多个模块中的独立变压器整合为一个共享磁芯回路的多线圈变压器,可自动均衡模块电容电压,降低系统复杂程度。针对基于多线圈的级联式DC-DC变换器提出了一种闭环控制策略,为设计移相闭环控制器,采用周期平均法及小信号动态分析法对系统进行建模,引入校正环节改善了系统的稳态和暂态性能,实现了级联式DC-DC变换器输出电压的稳定控制。最后,在Matlab/Simulink环境中搭建了系统仿真模型,验证了所提级联式DC-DC变换器闭环控制方法的可行性。     

Staircase Control of Hybrid Cascaded Multi-level Inverter

A cascaded multi-level inverter consists of H-bridge modules that can generally be divided into one with the same DC bus voltage and another with different DC bus voltages. By using the same power device as a standard 7-level 3H-bridge converter, the proposed converter operates with 15-level resolution with separate DC voltage sources of voltage ratio 4:2:1. The analysis of this hybrid cascaded converter with staircase control shows that this proposal can be applied in many power conversion applications, such as flexible alternative current transmission systems, uninterruptible power supply, and electric power conversion, transmission, and storage of renewable energy sources. Simulation results are presented with the proposed 15-level cascaded H-bridge inverter for a low distortion, near-sinusoidal stepped-voltage output, and a laboratory prototype of a 15-level insulated gate bipolar transistor-based cascaded H-bridge inverter is designed and implemented on a digital signal processor. The total harmonic distortion is proved less than 5%.     

桥臂交替导通换流器的模块最优冗余配置方法

桥臂交替导通换流器是混合多电平换流器的一种,在高电压大容量架空线直流输电领域具有广泛的应用前景。文中首先兼顾换流器正常运行和直流故障穿越能力,分析桥臂交替导通换流器整形电路和导通开关的模块初始数目。其次,根据器件承受应力和开关频率,结合器件实际结构,分析了桥臂交替导通换流器中整形电路和导通开关的重要器件的可靠性,以计算其整形电路和导通开关的模块可靠性。在此基础上,考虑换流器的可靠性和经济性,提出桥臂交替导通换流器中整形电路和导通开关中模块的冗余配置方法,筛选出最优冗余配置方案,并引入具体算例验证了所提出的冗余配置方法的有效性。     

高压直挂储能功率变换技术与世界首例应用

从拓扑、控制、设计、实验验证到工程应用,全面论证与评估无变压器直挂电网的链式储能功率变换关键技术问题。提出应对电网电压不平衡、模块故障以及相间电池组均衡的统一零序电压算法及综合集成控制策略,探讨模块间共模电流抑制及电池侧二次脉动电流的平抑问题,研发3相、每相20链节的低压模拟样机,对控制策略进行了全面验证。提出链式储能功率变换系统的优化设计方法,设计并研发了10kV/2MW/2MW×h的大容量链式储能功率变换系统,在国家863计划的支持下,于2014年在深圳宝清储能电站进行了世界首例工程示范应用,目前已经安全运行4年,积累了丰富的运行数据与经验,为链式储能功率变换技术的推广应用奠定了基础。     

链式STATCOM冗余容错过程的开关暂态分析

功率模块的冗余容错控制对链式静止同步补偿器(STATCOM)可靠性的提高非常关键.冗余容错包括故障容错和异常容错2种,而目前多采用理想模型来描述系统冗余容错过程,不能很好地体现这2种情况中的开关暂态过程.提出了一种电路等效模型,综合考虑了接触器励磁回路、电弧放电等因素的影响,建立冗余容错过程中的开关暂态数学模型,并通过...