模块化多电平换流阀子模块旁路方案设计

模块化多电平电压源型换流阀（Modular Multi-level Converter, MMC）作为±800kV特高压柔性直流输电系统中的关键设备,其子模块的可靠性直接影响到整个系统的安全稳定运行。本文系统设计了基于永磁双驱动旁路开关的主动旁路方案,设计了基于双向转折晶闸管的被动旁路方案。结合主动旁路的经济性和被动旁路的可靠性,设计了分级旁路方案。试验结果表明,主动旁路方案能主动下发旁路命令可靠旁路故障子模块;在主动旁路方案失效的情况下,被动旁路方案可靠旁路故障子模块,解决了因子模块单一故障引起换流系统跳闸的难题,为±800kV特高压柔性直流换流阀工程实施提供了设计指导。#$NL关键词：柔性直流;模块化多电平;换流阀;旁路方案 #$NL中图分类号:TM711 文献标志码:A 文章编号:     

模块化多电平VSC-HVDC换流阀的运行试验方法

为给基于模块化多电平换流器(modular multi-levelconverter,MMC)的电压源换流器高压直流输电(voltagesourced converter HVDC,VSC-HVDC)换流阀提供有效的检验手段,以验证其设计的正确性及其运行可靠性,对换流阀的运行特性和关键应力进行分析,提出基于原理等效的MMC阀运行试验方法,设计试验电路并阐明其运行机理。搭建的PSCAD电磁暂态仿真模型和实际的试验验证证明了试验方法的正确性和有效性。     

模块化多电平HVDC换流阀运行试验主回路数学模型及参数设计

研究了模块化多电平HVDC换流阀运行试验主回路参数的计算方法和选取原则,通过分析主回路关键设备的能量交换过程,建立了相关电气量基于开关函数的时域解析数学模型,说明了主设备参数选取对电气量特性的影响,提出了综合考虑电路试验能力和试验波形质量等因素的主回路参数设计方法。最后用PSCAD/EMTDC仿真软件对设计实例进行分析。仿真结果表明所建立的数学模型能够准确反映电气量的物理特征和影响因素,基于该方法进行运行试验主回路参数的选取能够达到预期的设计效果。     

大规模多节点模块化多电平柔性直流输电换流阀控制周期优化设计方法

提出了换流阀控制周期的优化设计方法。基于模块化多电平换流器(MMC)的工作原理、控制架构和调制方式,提出影响换流阀控制性能的3个关键指标,分别为换流阀输出电平数、直流电压波动、阀解锁初始电流冲击;理论分析了其对换流阀控制周期的定量约束,并通过仿真与试验验证了理论分析的正确性,最后得出同时满足这3个指标的最大控制周期作为换流阀控制周期的最优设计值,并给出了工程应用算例。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

模块化多电平换流器2N+1电平调制方式研究

文中研究了一种模块化多电平换流器2N+1电平调制方式。分析了N+1电平调制方式,在充分理解模块化多电平换流器工作原理的基础上,推导了2N+1电平调制方式的实现原理,并分奇、偶2种情况分别给出了具体的实现过程。仿真结果表明,相比于N+1电平调制方式,2N+1电平调制方式可以实现2N+1电平输出,波形电平数多,谐波含量低,但需要以增加桥臂环流和电感压降为代价,最后验证了该方法的可行性和有效性。     

模块化多电平换流阀模块级等效运行试验研究

模块化多电平换流器(MMC)通过标准功率模块(SM)的串联实现高压大容量化,且避免了器件的直接串联,降低了制造难度,具有开关频率低、效率高、输出特性好、可扩展性强等优点,己成为当前柔性直流输电系统中换流阀的首选方案.MMC因其大功率、高电压、强电流的特点,导致在试验环境中很难构建与实际工程相同的全载电路进行试验.因此,设计适当、有效的试验方法和装置来获得能代表实际运行条件的关键应力显得尤为重要.这里首先分析了MMC系统功率模块试验电路的工作原理,然后提出了一种主动充电策略及功率对推控制策略,最后在此基础上对某工程上的功率模块进行了充电试验和功率对推试验.该试验电路简单易行,能模拟MMC功率模块实际运行中的电压、电流和温度应力,特别适合模块样机研制阶段对单模块进行测试.     

集成化直流换流阀短路试验研究

基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电(HVDC)技术已经取得了快速发展.这里根据MMC-HVDC换流阀半桥子模块的拓扑结构,分析了最为严重的直流双极短路故障工况,得出了短路电流的解析表达式.短路电流试验是考核换流阀耐受短路电流能力的重要型式试验项目,根据试验的等效性原则,提出了基于合成方法的短路试验系统拓扑方...     

模块化多电平换流器阀控装置录波功能研究

模块化多电平换流器阀控装置的录波功能对观察子模块运行状态和分析子模块故障暂态过程具有重要作用,阀控装置集成内部录波功能有较大研究意义。针对阀控装置需接入海量子模块的工程应用需求,本文提出一种基于多核处理器和现场可编程门阵列（FPGA）硬件架构的阀控装置内部录波方案,介绍阀控装置录波功能相关的硬件架构、软件架构和测试方法。本文采用模块化分层解耦设计方法,通过底层系统软件、图形化工具软件和上层应用软件共同实现装置录波功能。利用柔性直流仿真控制系统对阀控装置录波功能进行测试,结果表明该功能可以满足工程现场应用需求。     

模块化多电平换流器冗余运行控制策略研究

冗余子模块(SM)是保证模块化多电平换流器(MMC)正常稳定运行的前提。介绍了MMC含冗余SM的工作原理和数学模型,分析了3种SM冗余保护方案,提出MMC动态冗余运行方案。为抑制SM电容电压波动,提出能量均衡控制及基于电容电压排序算法的调制策略。基于Matlab/Simulink所构建模型的仿真结果表明,动态冗余控制策略可保证冗余SM正常参与工作并保持电容电压稳定,系统整流侧可输出良好的直流电压。     

模块化多电平变流器的控制架构设计

针对模块化多电平变流器(MMC)在高压大功率应用场合模块数较多、控制系统复杂的特点,提出了一种改进的三级分层控制的系统架构,解决了传统控制系统同步性及可靠性较低等问题。重点研究了该分层控制系统架构的实现方法,按照由高到低的顺序对上位机控制系统、主控制器、子模块控制保护单元等进行了详细分析,确定了各控制层之间的通信内容和功能。利用三相9电平MMC实验样机对所提控制系统架构进行了实验验证,证明了所述控制系统的可行性。     

模块化多电平变流器均压策略研究

模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,简称MMC)子模块电容电压的均衡是其稳定运行的前提,在此介绍了MMC的拓扑结构,分析了其运行原理,提出了一种基于子模块电容电压瞬时值排序和桥臂电流方向的简化均压策略。该策略上、下桥臂仅各需一个载波,而与子模块数无关。仿真和实验结果验证了所提均压策略的有效性。     

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。     

模块化多电平变流器中子模块散热设计

以模块化多电平变流器子模块损耗分析为基础,从传热学的角度,分析散热片的热阻模型,设计了三相500kVA模块化多电平变流器子模块的散热片,并通过Ansys仿真验证设计结果。最后通过实验验证散热片设计方法。     

Four-Arm Three-Phase Modular Multilevel Converter (4A-TPMMC)

In this paper a Four-Arm Three-Phase MMC (4A-TPMMC)-based DC–AC converter is proposed. The proposed converter generates a three-phase output voltage using a lower number of components, which reduces the converter complexity and cost. The concept of the proposed approach is presented in this paper. A comparison between the conventional Six-Arm Three-Phase MMC (6A-TPMMC) and the proposed 4A-TPMMC is conducted. Two simulation models are built, one for the 6A-TPMMC, and the other for the proposed 4A-TPMMC. The simulations are carried out for the same number of submodules per arm and the same AC output voltage magnitude. Moreover, a case study using the proposed 4A-TPMMC, as a three-phase medium voltage motor drive, is considered. Finally, an experimental validation for the proposed 4A-TPMMC is presented to prove the viability of the claimed contributions.     

2基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器拓扑及其优化设计

普通模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑中,因子模块数量较多,系统需采集和处理的信息量大,导致控制系统硬件构成复杂.提出一种基于循环嵌套机理的MMC拓扑,其电平输出能力得到显著提升.通过上下两组子模块的协调投切,相对于普通MMC拓扑,新型拓扑输出相同电平数所需的子模块及控制设备数量大幅减少.阐述该新型拓扑的构成方式及基本参数选取原则;针对循环嵌套结构,设计相应的模块协调控制策略;分别以模块用量最小化和换流器运行损耗最小化为目标,优化设计拓扑构成方案.在RTDS中搭建换流器模型,仿真结果表明,新型拓扑具备更强的电平输出能力,并达到大幅减少子模块数量、简化控制系统硬件构成的目标.     

换流阀子模块IGBT短路测试系统分析与设计

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是换流阀子模块的核心器件,研究其抗短路能力对于提高换流阀可靠性具有重要意义。根据模块化多电平换流阀的运行机理,设计了一种换流阀子模块IGBT短路试验回路与系统,进行了换流阀在稳态运行下IGBT短路故障试验,从而实现对IGBT的稳态应力和短路故障下的暂态应力综合考核。最后通过试验平台进行验证,结果表明所提试验回路和系统的正确性。     

基于模块化多电平技术的有源滤波器研究

多电平逆变器通常应用于中压大功率变频和无功补偿装置中。与传统的多电平逆变器相比,其模块化设计易于扩展,灵活性更高,适用范围更加广泛。在分析了MMC的拓扑结构、工作原理的基础上,首先设计了一种采用模块化多电平逆变器(MMC)的有源滤波器(APF),提高电压等级和波形质量。采用适合MMC-APF的多电平滞环空间矢量控制方法,每相中只有一对模块进行PWM调节。针对传统的电容电压平衡控制中子模块投切频繁、器件开关频率较高的缺点,提出了一种电容电压优化控制策略,除了降低选择机制的执行频率外,可将传统的排序选择机制应用于部分模块。Matlab的仿真结果验证了控制策略的有效性和可行性。