高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化控制策略

混合型MMC存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部IGBT损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是换流器可靠性的薄弱环节。为此,本文提出一种器件损耗分布优化控制策略。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性,确定损耗优化的主要目标。其次,根据损耗计算公式,明确降低半桥子模块电容电压方法可用于降低其下部IGBT的损耗。然后,通过三次谐波电压注入,初步降低半桥子模块的电容电压,再通过桥臂输出电压指令值差异化分配,进一步降低半桥子模块的电容电压,进而最大程度减小其下部IGBT损耗,实现器件损耗分布优化。最后,通过MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验验证,证明了所提控制策略可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,能够提高换流器的整体可靠性。     

高压大容量MMC子模块下部IGBT损耗优化方法

当高压大容量模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)传输有功功率时,由于桥臂电流中存在直流分量,同一子模块中的4支功率半导体器件产生的损耗并不均衡。特别是当MMC工作于逆变工况时,子模块下部IGBT的损耗尤为严重。由于IGBT对温度变化十分敏感且易于失效,因此在逆变工况下子模块下部IGBT的温升管控是限制MMC安全运行区间的主导因素。提出一种器件层面的损耗优化方法,其不仅可以减少逆变工况下子模块下部IGBT的损耗,还可以减少系统的总体损耗。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真和MMC样机高压试验证明了所提方法的正确性和有效性。     

低直流电压下混合型MMC器件损耗分布优化控制

低直流电压运行工况下,混合型模块化多电平变换器(MMC)器件损耗分布不均匀,逆变工况下,半桥子模块(HBSM)下部绝缘栅双极型晶体管(IGBT)损耗尤为突出,降低了换流器运行可靠性。为此,提出一种全、半桥模组输出电压差异化控制与HBSM降压相结合的损耗分布优化方法。首先计算低直流电压下混合型MMC的器件损耗。然后利用全、半桥模组输出电压差异化控制降低目标器件的通态损耗。分析发现,差异化控制降低通态损耗的同时会增加器件开关损耗,因此结合HBSM电容降压减小其开关损耗,使器件损耗优化效果达到最佳。最后,通过小功率实验平台验证所提方法的有效性。     

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。     

混合型MMC器件损耗分布优化控制方法

全桥-半桥1:1混合型MMC在正常稳态下工作于半桥型MMC模式,全桥及半桥子模块充放电行为几乎一致,子模块器件损耗分布极不均衡,特别是在逆变工况下,半桥子模块下部IGBT损耗尤为突出。为此,提出了基于全、半桥两类子模块差异化控制的器件损耗分布优化方法。首先,解析计算子模块器件损耗,以明确损耗不平衡的原因。其次,为改善器件损耗分布,在不影响设备输出外特性前提下,提出全/半桥模组解耦控制方法。然后,通过分析模组平均开关函数对器件通态及开关损耗的影响机理,以降低半桥子模块下部IGBT损耗为目标,推导出最优模组平均开关函数。最后,通过MATLAB/Simulink及PLECS仿真验证解耦控制策略的可行性及其对损耗分布优化的有效性。     

采用不同子模块的MMC-HVDC阀损耗通用计算方法

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)提出了一种阀损耗通用计算方法,可统一分析现有子模块结构:半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块。首先基于系统运行参数和调制控制策略解析出各子模块元件的电流、电压时域变化波形,然后利用厂商提供的特性曲线对半导体器件特性参数进行拟合,最后结合器件电流、电压波形和开断次数计算其损耗和结温。所提方法能够计及优化电容电压附加控制,且便于编程实现。基于所提方法开发了MMC-HVDC阀损耗通用分析程序,可快速计算各种工况下的换流器功率损耗分布和器件结温。通过算例计算验证了所提方法的有效性。算例结果表明:3种典型MMC拓扑中H-MMC损耗最少,C-MMC次之,F-MMC最差;环流抑制后个别运行工况下换流器损耗特性可能恶化;降低器件开关频率和提高电压调制比均可降低损耗;当器件开关频率低于某特定值(本算例为500 Hz)后,器件的通态损耗成为主导分量。     

基于MMC结温波动优化的预测控制策略及其可靠性分析

模块化多电平换流器(MMC)IGBT子模块的平均结温及其波动会显著影响其失效率,进而对系统的可靠性产生影响。在MMC热平衡算法的基础上,分析如何在降低MMC子模块结温分布差异和保持子模块的电容电压波动不变的前提下,只通过改变子模块的投切过程来降低结温波动的可能性。以接近结温波动的最小理论幅值ΔT_(min)、降低子模块间的结温波动差异为目标,结合预测得到的下一个控制周期中器件的结温,给出温度波动优化的控制策略。采用Coffin-Manson寿命模型和线性累计损伤理论,评估温度优化控制策略下MMC系统的寿命。最后,在MATLAB中搭建10电平仿真模型,仿真结果表明通过对MMC系统进行温度控制可以提高系统的可靠性。     

基于Semi-Markov的模块化多电平换流器的可靠性分析及其冗余配置策略

目前,对于模块化多电平换流器(MMC)的可靠性分析大多认为其子模块的寿命函数符合指数分布,但实际上其子模块的寿命函数更接近于Weibull分布。利用Semi-Markov过程建立MMC的数学模型,结合频率和持续时间法对存在不同冗余度的系统进行可靠性指标的定量分析。对MMC进行损耗分析,分析冗余度对其损耗的影响。采用分目标乘除法对MMC的冗余度进行优化,使其在具有高可靠性的同时保持损耗最小。通过实例分析可知,当换流器直流侧母线电压为±800 kV,子模块的额定电压为3 kV时,最佳冗余度为1.86%。     

MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

模块化多电平换流器的损耗计算

对模块化多电平换流器(MMC)在正弦脉宽调制方式下子模块上下管开关器件的投入概率进行分析。结合上下管开关器件的投入概率,导出上下管开关器件等效电流的表达式。以子模块电容器在一个基频周期内的电压变化量是零为基础,推导出子模块电容器电压与电容器电容、负载功率因数、调制比及阀侧交流电流峰值之间的关系,并解析出上下管开关器件的平均电流与有效电流。利用开关器件制造厂商提供的损耗相关参数,对厦门柔性直流示范工程MMC在整流状态和逆变状态下的损耗和结温进行计算。计算结果表明,损耗计算和结温估算模型能为MMC冷却系统的配置提供参考。     

MMC器件损耗分布与电容电压纹波综合优化方法

逆变工况下,半桥子模块下部IGBT（简称T2管）损耗占比较大,减小其损耗利于提升设备运行可靠性。同时,抑制电容纹波电压利于减小电容需求及提高功率密度。然而,现有优化控制策略未关注损耗分布优化及电容纹波电压间的矛盾,难以兼顾设备运行可靠性及功率密度。为此,本文提出兼顾减小T2管损耗及抑制电容电压纹波的综合优化方法。首先,通过分析电荷量对器件损耗及电容纹波电压的影响路径,阐述减小T2管的通态损耗与抑制电容电压纹波间的内在矛盾。然后,通过引入罚函数,建立计及T2管损耗及电容电压纹波的综合目标函数。而后,以主动旁路策略为例,通过分析二倍频环流与三次谐波电压注入对T2管损耗和电容电压纹波的影响规律,提出基于二倍频环流及三次谐波电压注入的综合优化方法;最后,在MATLAB/Simulink及PLECS中搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明：该综合优化方法兼顾了T2管损耗与电容电压纹波优化,一定程度上增加了设备可靠性与设备的功率密度。     

模块化多电平变换器全桥型子模块优化均压控制方法

模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比,当SM增加时,会导致MMC的开关损耗急剧增加,因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。采用最近电平逼近调制(NLM)方式,提出一种基于全桥型SM的改进均压排序法,旨在降低MMC中功率器件IGBT的开关频率,该方法实现相对简单,无需额外的控制器,且易于扩展。最后,通过在MATLAB/Simulink平台搭建了19个全桥SM的仿真模型,验证了该方法的有效性。验证了所提全桥型SM优化均压策略,可以有效避免IGBT不必要的反复投切,降低IGBT的开关损耗,同时对外部输出特性不会产生负面影响。     

模块化多电平变换器上、下桥臂不对称运行环流重复控制

模块化多电平变换器(MMC)以其模块化、可扩展和便于冗余容错设计等优势在高压直流输电等大功率场合得到了很多应用。然而,采用大量电力电子元器件使可靠性成为制约MMC发展的主要因素,而通过设置备用子模块进而实现容错运行成为提高其可靠性的主要手段。针对含备用子模块MMC发生子模块故障导致上、下桥臂不对称运行的情况,本文通过理论分析表明,环流中不仅包含了偶次谐波成分,还包含了不对称运行产生的奇次谐波成分。据此,本文采用改进的环流重复控制器,在实现MMC故障后容错运行的同时,还实现了对环流各次谐波成分的有效抑制。所提出的环流重复控制器,不仅适用于上、下桥臂不对称工况,也适用于对称工况。因此,故障前后无需进行控制器的切换,降低了容错控制的复杂度。本文通过搭建单相MMC硬件平台,验证了所提控制策略的有效性。     

Loss distribution analysis and accurate calculation method for bulk-power MMC

Accurate evaluation of power losses in a modular multilevel converter (MMC) is very important for circuit component selection, cooling system design, and reliability analysis of power transmission systems. However, the existing converter valve loss calculation methods using the nearest level modulation (NLM) method and the traditional sortingbased capacitor voltage balancing strategy are inaccurate since the submodule (SM) switching logics in the MMC arms are uncertain. To solve this problem, the switching principle of the SMs in the sorting-based voltage balancing strategy is analyzed. An accurate MMC power loss calculation method based on the analysis of loss distribution of various SM topologies, including half-bridge submodule (HBSM), full-bridge submodule (FBSM) and clamp double submodule (CDSM), is proposed in this paper. The method can accurately calculate the losses caused by the extra switching actions during the capacitor voltage balancing process, thus greatly increasing the calculation accuracy of switching losses compared with existing methods. Simulation results based on a practical±350 kV/1000 MW MMC-HVDC system with variety of MMC topologies with diferent voltage balancing strategies demonstrate the efectiveness of the proposed method.     

模块化多电平变流器调速系统变频控制

模块化多电平变流器(MMC)凭借着诸多优势成为高电压大功率工况下的核心拓扑。但MMC变频调速系统运行于低频状态时存在桥臂能量分配不均衡、子模块电容电压波动严重等问题,不仅影响变频器全速域运行能力,甚至威胁系统安全。为解决上述问题,提出一种基于共模电压与偏置电压控制的MMC变频调速系统全速域运行方法,旨在通过控制系统各桥臂瞬时功率以快速抑制子模块电压波动。首先,构建系统数学模型,分析悬浮电容电压波动影响因素;其次,设计变频调速系统的低频控制器与在线模式切换环节;最后,为验证所提控制策略的可行性和有效性,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提控制策略能有效抑制MMC变流器子模块电压波动,完成不同频段平滑切换,降低系统损耗,改善系统输出品质,提升MMC系统安全运行能力。     

柔直换流阀损耗解析计算及其误差分析

模块化多电平换流器（MMC）柔直换流阀损耗是系统重要的性能及经济评价指标,也是换流阀功率器件选型、结温评估、冷却系统设计的直接依据。换流阀损耗主要为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、二极管等功率器件的导通损耗和开关损耗,占比达到90%以上。目前已有大量关于柔直换流阀损耗计算及优化方法研究成果。本文在现有解析计算法的基础上,进一步精确推导得到涵盖系统工况及器件特性的损耗计算通用表达式。提取了与损耗关联的影响因子及其权重,为损耗优化提供了依据。考虑到实际工程换流阀为电平逼近调制策略,分析解析计算法的误差来源,提出计算精度更高的基于工程运行现场数据录波的损耗计算方法。     

一种可提高IGBT可靠性的新型结温管控策略

变换器在运行过程中频繁和大范围地随机出力变化,会导致IGBT模块内部结温剧烈波动,使器件持续承受交变的热应力冲击,严重影响器件的可靠性。提出一种通过调节驱动电压实现功率器件结温平滑跟踪和自适应管控的策略。首先,基于简化的IGBT损耗分析模型,阐述了驱动电压大小对IGBT损耗的影响。然后,根据结温变化趋势的大小自动调节驱动电压,在不影响变流器输出性能的同时最大程度抑制结温波动,改善器件周期热应力,提高器件运行可靠性和寿命。最后,通过一种新型应力测试电路的结温跟踪管控实验平台进行实验测试,证明了该结温跟踪管控策略具有可行性和有效性。     

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。     

基于模块化多电平换流器的新型全桥损耗优化调制策略

提出了一种新型全桥损耗优化调制策略,可以平衡子模块中各个半导体开关器件的热应力,提高器件安全裕度,从而提升模块化多电平换流器(MMC)的功率传输能力。首先,对构成MMC的子模块结构进行了分析,从抑制直流侧故障角度出发,选择了全桥子模块作为分析的对象。其次,针对MMC型高压直流输电(MMC-HVDC)系统的各种工况进行了损耗和结温分析,找出了限制MMC功率传输的主要因素。最后,在综合分析的基础上,针对MMC-HVDC系统提出了全桥损耗优化调制策略,该方法可以提升直流传输功率。仿真分析验证了所提出的全桥损耗优化调制策略的有效性。