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。     

基于子模块电容电压预估的MMC分段电压平衡优化控制

随着高压直流输电系统电压等级和输送容量的提升,对模块化多电平换流器的电容电压平衡控制提出了更高的要求.为了实现对高压大容量模块化多电平换流器电容电压的优化控制,基于桥臂子模块分段控制思想,采用分段电容电压排序控制方法.首先,分析了段内和段间电容电压平衡机理,提出了段间电压平衡控制策略;其次,将MMC开关频率分为两部分,分别分析了各部分开关频率的影响因素,提出了基于子模块电容电压预估的段内电容电压平衡优化控制策略,以降低器件的等效开关频率;最后,基于PSCAD/EMTDC的仿真结果表明,在有效保证电容电压平衡的条件下,等效开关频率降幅可达25％,从而验证了相关理论分析的正确性和控制策略的有效性.     

桥臂交替导通多电平换流器电容电压平衡控制

重点研究了桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的电容电压平衡控制.首先阐述了AAMC的运行特性和工作原理;其次基于子模块充放电的基本原则,提出了适用于AAMC的改进最近电平调制策略,根据桥臂电流方向和子模块电容排序结果确定子模块的投切状态;并通过引入最大电压波动系数优化选择子模块投切时机,降低了开关频率并减少了损耗.在PSCAD/EMTDC中搭建了每桥臂10个子模块的模型,时域仿真结果表明,所提出的平衡控制策略能够满足电容电压均衡.     

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.     

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。     

基于改进冒泡排序的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)子模块电容电压均衡是当前MMC研究领域的热点问题。当MMC的单个桥臂子模块数量较多时,存在控制器运算时间长、子模块投切频繁和开关损耗大并导致MMC故障等缺陷。针对上述缺陷,提出了一种基于改进冒泡排序算法和平均值法混合控制策略。通过实时监测电容电压,采用改进冒泡法在初始化时对子模块电容电压进行排序,减少MMC控制器的运算量。在之后的控制周期采用已投入子模块平均值比较法对子模块作投切,降低开关频率。最后在Matlab/Simulink搭建21电平MMC模型,仿真结果验证了所提混合控制策略的有效性和正确性。     

混合型MMC的开关频率优化控制算法

混合型模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的桥臂由半桥子模块HBSM(half-bridge sub-module)和全桥子模块FBSM(full-bridge sub-module)组成,损耗低、成本低,同时具有故障穿越能力。但是,子模块SM(sub-module)电容均压会造成较高开关频率,导致开关损耗较大。为了解决该问题,研究了基于混合型MMC的开关频率优化控制策略,将保持因子引入混合型MMC模型,通过数学推导,设计了基于电容电压波动率的保持因子控制器。仿真结果表明,开关频率优化控制算法在保持均压效果的前提下,有效降低了开关频率,在高压直流输电等领域具有理论意义和工程实践价值。     

基于变基准值比较的MMC电容电压优化均衡控制策略

模块化多电平换流器的子模块电容电压均衡是其稳定运行的关键,传统电容电压均衡策略计算量大,器件平均开关频率高。提出一种基于变基准值比较的电容电压优化均衡控制策略,由最近电平逼近调制计算出当前投入模块的数目,并根据投入模块个数调节基准值,以此基准值为分界点将子模块电容电压序列分为两组,采用随机置乱算法对组内元素排序,根据桥臂电流方向,确定组间排序先后次序,最终确定投入模块信息。同时,通过电容电压优化函数选取合适的电容电压允许偏差阈值及调节因子,实现对器件平均开关频率和电容电压一致性的优化控制;在MATLAB/Simulink中搭建基于MMC的三相逆变器仿真模型,验证所提策略在取得良好均压效果的前提下,降低计算量,同时降低器件平均开关频率。     

模块化多电平换流器子模块平均开关频率的精确控制方法

在现有的基于电容电压排序的优化均压算法基础上,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)的精确控制子模块开关频率的方法。通过引入双保持因子,避免绝缘栅双极型晶体管(IGBT)不必要的反复投切现象,从而在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,有效地降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗;在此基础上,设计了精确控制子模块开关频率的比例—积分(PI)控制器,能够在降低开关频率的同时精确地控制其大小,保证系统稳定运行和换流器的运行效率;最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端101电平MMC仿真模型,对所提出的方法进行了验证,仿真结果表明该方法可以在保证系统稳定运行的前提下,精确地控制子模块的开关频率,证明了所提出方法的正确性和有效性。     

MMC直流电压控制策略研究

为了对模块化多电平换流器(MMC)的直流侧电压进行控制并减小开关损耗,首先介绍了MMC的结构及子模块充放电原理,然后提出了MMC的直流电压控制是由系统级直流电压控制和子模块电压控制两部分构成;针对系统级直流电压控制,分析了直流电压控制原理,并提出相应的控制策略;针对子模块控制中存在的因开关器件盲目动作而产生的开关频率高的现象,提出了一种改进型子模块电压均衡控制策略,通过对传统电压排序方法的改进,避免了这一现象。最后以PSCAD/EMTDC为平台进行仿真研究,结果表明MMC直流侧电压可以稳定在额定值,并且器件开关频率明显降低。     

模块化多电平换流器电容电压的分布式均衡控制方法

子模块电容电压的均衡控制是模块化多电平换流器(MMC)的关键问题,通常的做法是在中心控制器通过排序法或附加控制量法集中实现电容电压的均衡控制,当级联的子模块数目巨大时,中心控制器存在占用计算资源过多甚至难以实现的问题。提出一种MMC子模块电容电压的分布式均衡控制方法,将电容电压的均衡控制环分散到各子模块控制器中实现,每个子模块控制器仅需要完成自身电容电压追踪桥臂电容电压平均值的控制,均衡控制环简单且占用计算资源小,当级联的子模块数目大幅增加时,中心控制器的计算资源变化较小。通过对基于MMC的双端柔性直流输电系统的RT-LAB仿真结果和物理试验结果验证了所提出的分布式均衡控制方法的正确性和有效性。     

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。     

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。     

模块化多电平换流器的子模块电容电压分层均压控制法

为了提高高电平模块化多电平换流器(MMC)均压控制的排序速率和降低换流器的开关损耗,提出了一种适用于高电平MMC的子模块电容电压分层均压控制法。首先,根据桥臂电容电压最值确定电压分层容器,并根据排序的计算复杂度和均压控制效果对分层数进行讨论;然后,根据电容电压大小将子模块放入对应的分层容器,根据桥臂需投子模块个数和桥臂电流方向进行优化排序,确定各子模块的投切;最后,引入容器重新划分判据以减少计算量,即如果任一一个投入子模块的电容电压变化值小于容器的电压间隔,则不重新分层。PSCAD/EMTDC中21电平MMC系统的仿真结果表明,提出的均压控制法能够提高均压控制排序的速率和减少不必要的容器内排序,同时降低绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关损耗。     

一种模块化多电平换流器电压均衡改进策略

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)是柔性直流输电系统的核心设备,其子模块的电容电压均衡问题直接影响系统的正常运行.针对此问题,首先介绍了一种现有的基于固定轮换的均压方法,指出其优缺点;再进一步提出一种改进的均压策略,能够在达到几乎相同的均压效果的基础上,减少模块的轮换;...     

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。     

二极管钳位型MMC电路的均压控制策略

为解决传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)均压系统中直流电压传感器较多、控制电路复杂的问题,将二极管钳位拓扑应用到MMC中,并提出了适用于该拓扑的电容电压均衡控制方法。该拓扑通过在各子模块电容正极加装钳位二极管,为直流电容提供单向钳位通路,从而实现MMC各桥臂子模块电容电压从上到下依次减小,简化了系统电路及其控制方法。最后,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了11电平二极管钳位型M M C拓扑仿真模型,结果表明该拓扑具有电容电压自排序功能,电容电压均衡效果良好。     

适用于FPGA的模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法

子模块电容电压均衡是模块化多电平换流器稳定运行的重要前提。针对传统均压控制方法排序计算量大、器件开关频率高的问题,从实际工程角度出发,提出了一种适用于现场可编程门阵列的新型电容电压平衡控制方法。根据正常运行时电容电压波动范围划分若干子区间,并依据实时采集到的电容电压将子模块匹配到相应的子区间分组内。在此基础上,针对电容电压在额定值附近的子模块,分组时考虑上一时刻的开关状态,并遵循尽量维持原有开关状态不变的原则进一步降低了器件的开关频率。在ML605-FPGA板卡中开发实现所提方法,并与实时数字仿真器组成硬件在环实时仿真系统。仿真实验结果验证了该方法的可行性与有效性。     

A Grouping Strategy Based on Prime Factorization for Capacitor Voltage Balancing of the Modular Multilevel Converter

The modular multilevel converter (MMC) is attractive for high-power applications because of the advantages of its high modularity and high power quality. This paper proposes a prime factorization-based grouping strategy for capacitor voltage balancing of MMC. With prime factors arranged from the largest to the smallest, the computation burden has been reduced significantly, which is proved mathematically. Then, a 401-level MMC adopting the proposed grouping strategy is implemented and evaluated in the PSCAD/EMTDC environment. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed strategy for capacitor voltage balancing performance under both steady and dynamic states. And by comparing with conventional sorting algorithm, it can be concluded that the prime factorization pattern can significantly improve the simulation efficiency. Finally, the switching frequency of the proposed algorithm is discussed.