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。     

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。     

模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略

模块化多电平换流器(MMC)因具备模块化、调度灵活等优势得到广泛应用.然而,逆变工况下,MMC子模块上下管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的损耗分布不一致,导致子模块内各器件的寿命差异大,而系统可靠性取决于寿命最低的器件,因此,子模块器件的可靠性将严重威胁到换流器的安全可靠运行.为此,文中提出了一种MMC子模块IGBT损耗优化控制策略.所提策略可以在不影响输出外特性的同时,改善子模块内部器件的损耗分布,提高系统的可靠性.具体而言,分析了模块内部损耗不平衡产生的机理,并通过在调制信号中叠加修正量的方式,减小子模块上下管IGBT的损耗偏差,实现了结温均衡.最后,通过损耗优化的数学证明及热-电联合仿真和器件寿命计算,验证了损耗分析的正确性及所提损耗优化控制策略的可行性.     

基于模组解耦控制的高调制比混合型MMC电容优化方法

高调制比混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)子模块电容的均压控制方法借鉴半桥型MMC,全桥及半桥子模块电容的充放电行为存在强耦合,导致半桥子模块电容电压波动率较小,给电容值的优化带来挑战。为此,文中首先计算高调制比下两类子模块的电容电压波动率,以明确半桥子模块电容值的优化空间。进一步,提出全桥及半桥模组平均开关函数的设计原则,考虑子模块电容电压瞬时最大值的约束,实现半桥子模块电容值的优化。然后,在现有MMC基本控制框架下,提出基于模组解耦的控制策略,实现电容电压动态的准确控制。最后,在MATLAB/Simulink中搭建混合型MMC的仿真模型,对所提电容优化方法进行验证。仿真结果表明:所提电容优化方法不仅可以实现对全桥及半桥子模块电容电压直流分量和纹波分量的控制,还可降低半桥子模块电容值。     

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。     

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。     

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。     

全桥模块化多电平换流器故障容错控制

为提高全桥模块化多电平换流器（F MMC）的可靠性和效率,分析了换流器全桥子模块在IGBT短路和开路时的故障特征,提出了以子模块电容电压下降和子模块输出电压与期望输出电压之间的差异作为故障判据,并结合子模块的投切状态来判断具体故障IGBT位置,然后根据IGBT的故障位置将故障全桥子模块切除或转化为半桥子模块运行的方式来实现全桥MMC的容错控制,同时给出了适用于全桥MMC容错控制的最近电平逼近调制方法。通过仿真分析验证了所提出的容错控制策略的有效性。     

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。     

基于线性最优的MMC子模块电容电压均衡控制策略

为进一步优化模块化多电平换流器(MMC)子模块控制策略,尤其是能够兼顾子模块电容电压波动、桥臂环流二次谐波含量、子模块绝缘栅双极型晶体管(IGBT)投切次数和算法计算量四方面的性能,提出一种基于线性最优解的MMC子模块电容电压均衡控制策略。首先,阐述了子模块电容电压波动和子模块IGBT投切次数之间的相悖性,通过理论分析证明子模块电容电压波动与桥臂环流二次谐波含量之间也存在非线性关系,需寻找适当算法使其三者同时达到最优情况。然后,针对此目标,对传统算法进行优化,增加附加调节子模块功能,并结合子模块电容电压均衡控制策略,详细阐述了所述算法的控制流程及其优越性。最后,通过动模试验对传统控制策略、子模块电容电压均衡控制策略、所提控制策略及其他采用不同数量的附加调节子模块的控制策略进行对比。试验数据表明,所提策略可以在子模块电压波动、桥臂环流中的二次谐波含量和子模块IGBT投切次数三方面达到线性最优。     

混合MMC电容电压波动差异机理及抑制策略

降低模块化多电平换流器(MMC)中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对子模块电容器容值、体积、成本的需求,具有重要的研究价值。文中首先分析了混合MMC过调制下半桥子模块与全桥子模块的电容电压波动特性以及两种子模块间的波动差异产生机理,确定波动差异对应的能量积累区间。然后分类讨论三次谐波电压注入后桥臂参考电压的极值点分布和过零点分布,建立三次谐波电压注入系数、调制比与波动差异抑制能力的关系。在此基础上,以减少半桥子模块与全桥子模块电容能量积累差异为目标,对三次谐波电压注入量进行优化设计,提出了基于三次谐波注入优化的子模块电容电压波动差异抑制策略,并给出电容容值降低的计算示例。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端混合MMC模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

基于三次谐波电压注入的扩展混合型MMC运行区域的控制方法

针对低直流电压运行工况下混合型MMC全桥子模块及半桥子模块电容电压不均衡问题,提出了一种基于三次谐波电压注入的改善方法。首先,回顾了子模块电容电压不均衡问题机理,计算出子模块电容电压不均衡问题发生的边界条件以及混合型MMC安全运行区域。然后,定量分析三次谐波电压幅值及初始相位对电容电压的影响规律,并计算出三次谐波电压注入对混合型MMC的运行区域的扩充效果。最后,基于Matlab/Simulink建立了双端仿真模型,验证了所提方法的有效性。     

MMC优化均压控制方法的研究

MMC因具有子模块可以级联,输出电平数高、波形质量好等优势而广泛的应用于高压变频和高压直流输电等场合。首先介绍了三相MMC的基本拓扑及工作原理,在采用最近电平逼近调制方式的基础上,对传统的电容电压排序法进行了改进,引入同一桥臂子模块间电压偏差参考量和投入子模块电容电压排序系数,避免了因排序算法而导致同一个子模块的IGBT频繁投切,减小了变换器的开关损耗。通过Matlab/Simulink搭建了11电平的MMC仿真模型,并给出了同一桥臂子模块间最大电压偏差量和IGBT开关功率损耗与子模块间电压偏差参考量和不同排序系数的关系曲线,将二者之间的矛盾关系转化成多目标优化模型,设计了一种含加权系数的最优控制算法,给出加权系数为0.8时的最优参数,在最优参数条件下进行了仿真验证,仿真结果表明了该最优控制算法的有效性。     

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块（半桥、全桥结构子模块）的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25％的IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在PSCAD仿真环境中搭建基于NLM的11电平两端MMC—HVDC输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。     

一种具有故障隔离能力的MMC-HVDC换流站子模块拓扑研究

针对典型半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法阻断直流短路故障电流的固有缺陷,提出一种串联型双电容箝位型子模块,并结合传统半桥型子模块,设计成混联型桥臂拓扑,采用更低额定工作电压的IGBT,实现子模块基本功能的同时,增加了故障电流隔离能力。与全桥子模块结构和箝位双子模块结构相比,所提出的子模块拓扑方案进一步降低了器件成本。详细描述了该方案故障电流阻断机理,并通过电磁暂态仿真模型验证了基于该子模块拓扑的换流站方案的可行性。     

混合型MMC降低子模块电容电压波动的优化策略

模块化多电平换流器（multilevel modular converter，MMC）在高压直流输电（high voltage direct current，HVDC）领域得到了广泛的应用。由半桥以及全桥子模块构成的MMC因具备主动使换流器直流侧输出极间零电压以适应短路故障条件的能力，引起了国内外学者的广泛关注。首先，从混合型MMC的开关函数角度出发，对理想情况下混合型MMC进行建模，建立了子模块电容电压基频、二倍频波动数学模型，并提出单位降容比的概念，研究了调制比对子模块电容电压波动的影响。其次，提出提高调制比的抑制子模块电容电压波动配合策略，有效降低子模块电容电压波动。在此基础上，提出基于三次谐波注入的新增半桥子模块数目优化方法，减少半桥子模块的新增数目，解决了单纯提高变比带来的全桥电容电压降落的副作用。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建双端±160 kV混合型MMC的仿真模型，验证了所提降容策略的正确性和有效性。     

基于桥臂二倍频电流分量重构的MMC降容控制方法

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）已显示出很好的工程应用前景。降低MMC子模块电容电压波动对实现换流器的轻型化具有非常大的工程意义。通过对国内外降低MMC子模块电容电压波动的各种控制方法进行归纳总结,可知各种通过控制方案降容的方法的实质为在桥臂上注入谐波电压和电流。在此基础上,提出一种桥臂二倍频电流量重构的方法,并在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建程序进行验证,仿真结果表明所提方法可有效降低子模块电容电压纹波幅值。进一步进行了低电容容值仿真验证,其在保持子模块电容电压纹波幅值不变的情况下,可有效降低子模块电容容值30%以上。另外,进行了MMC换流阀损耗分析,结果表明低电容容值工况下的换流阀损耗不大于对照工况下换流阀损耗。