模块化多电平换流器稳态功率运行范围的确定方法

为了确定模块化多电平换流器(MMC)的稳态运行范围,首先研究了MMC额定运行点的确定方法,介绍了换流变压器阀侧额定电压的选取过程。在此基础上,通过相量图分析的方法,建立了换流器P-Q图与电气相量图间的映射关系,直观地揭示了各个电气量的大小与MMC稳态功率运行范围的关系。分析了内部电动势幅值和相角的可行范围,指出内部电动势的幅值大小是限制MMC无功功率输出大小的主要因素。最后通过一个算例说明了MMC稳态功率运行范围的确定与校验过程。     

混合型模块化多电平换流器解析建模与功率运行区间分析

混合型模块化多电平换流器(MMC)在远距离大容量架空线输电领域具有十分广阔的应用前景。为定量研究混合型换流器的运行特性,文中提出了混合型MMC动态解析模型和稳态解析模型的建模方法。通过稳态解析模型求解与换流器内部电气量和控制量有关的非线性方程组,实现了在任意直流电压和功率运行点下换流器运行特性的完全解析求解。对比了不同直流电压水平下,电磁暂态模型仿真结果和稳态解析模型的计算结果,验证了稳态解析模型的精确性。研究了考虑多种运行约束条件时混合型MMC的功率运行区间计算方法,尤其考虑了半桥子模块的均压约束。计算了不同直流电压水平下的功率运行区间,分析了各约束条件以及子模块电容、桥臂电抗器、桥臂子模块比例等参数对功率运行区间的影响。     

MMC功率运行区域分析及环流切换控制策略

通过对模块化多电平换流器(MMC)动态特性和控制机理的分析,提出基于系统容量、电容电压波动阈值以及最大瞬时调制比的功率运行区域确定方法,并通过该方法对环流抑制和环流注入控制策略在不同子模块电容配置下的功率运行区域进行了比较分析。该方法可以优化子模块电容参数选取,避免过度冗余设计。此外,提出基于电压预测的环流控制器,使在不同工作点下可根据分析结果直接进行最优环流控制模式切换。对某单一桥臂子模块数为20的MMC系统进行仿真研究,结果验证了所提功率运行区域分析方法及其环流切换控制策略的正确性和有效性。     

MMC不完整运行方式的有功功率传输研究

针对柔性直流输电(voltage source converter–high voltage direct current,VSC-HVDC)模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)桥臂发生故障停运和不完整运行工况下无法传输有功功率的问题,首先介绍MMC不完整运行无功传输原理;然后,分析MMC不完整运行方式有功功率传输的可能性;进而提出MMC不完整运行方式的有功功率传输控制方法,并研究不完整运行方式下的组合种类、功率运行区间和有功功率波动特性,归纳MMC不完整运行有功功率传输条件;最后,在MATLAB软件平台中搭建柔性直流系统模型,验证了所提出的不完整运行有功功率传输策略的正确性。     

基于滞环区间自适应控制的 MMC 环流抑制方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是一种可替代传统电压源型换流设备的新型拓扑换流装备,但随着应用电压等级的提升,MMC子模块级联数目大幅增长,相单元中二倍频环流问题尤为明显。通过阐述桥臂内环流与电感压降相互影响机制,在滞环控制的基础上引入区间自适应控制,有效平衡环流抑制效益与开关损耗两者的矛盾,提出滞环区间自适应控制MMC环流的动态抑制法。该方法能够灵活控制桥臂电感压降,控制环流在越限前改变流向,从而将其控制在允许范围内,且无需额外的硬件装置。最后在多电平双端背靠背互联系统Simulink仿真模型中验证该方法对MMC桥臂内环流的抑制效果。     

适用多功率的最近电平调制下MMC子模块开路故障诊断策略

模块化多电平换流器（MMC）子模块（SM）发生故障时，快速检测到故障并定位故障SM是提升MMC可靠性的关键。现有研究基于经验的阈值设置在不同运行功率间难以推广。针对于此，提出一种适用于不同运行功率的最近电平调制（NLM）策略下MMC子模块开路故障诊断策略。所提策略通过判断SM电容电压预测值与实际值间的绝对误差是否超出阈值来检测并定位故障。通过数学推导给出了设置阈值的可靠依据，并验证了当运行功率发生改变时无需重新手动设置阈值，与现有研究相比降低了阈值设置难度。此外，所提策略整合了现有策略的优点，包括无需额外硬件，计算负担小，诊断速度快（<20ms），适用于多个SM发生故障的情形等。同时，通过理论分析验证了所提策略不仅适用于NLM策略的情形，在调整SM开关函数的预测方法后可推广至其他MMC调制策略。在硬件在环平台中的实验结果验证了该策略可以在不同功率点准确、快速地诊断出两种MMC子模块开路故障。     

MMC交流侧非全相运行时电气量特性分析

确定非全相运行对模块化多电平换流器运行特性的影响,不仅是保证模块化多电平换流器安全运行的前提,也是设计新的控制和保护方法的基础.本文首先根据非全相运行时的边界条件得到了模块化多电平换流器交流侧等效序网图;然后,基于得到的序网关系,对工作于不同工作状态的模块化多电平换流器交流侧和直流侧电压、电流的变化情况进行了研究,研究...     

基于观测器的MMC功率模块故障诊断方法

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)功率模块故障问题,采用标称模型观测器进行故障检测与隔离。对功率模块每一种可能的结构性故障构造一个故障模式观测器,对每一个可能发生故障的参数构造一个自适应观测器。通过观察功率模块各个观测器的残差曲线,将发生的故障隔离出来,同时也实现了故障辨识。根据功率模块电容器电容值变化故障的特点,采用李雅普诺夫方法设计自适应观测器,保证状态-参数联合估计的收敛性。采用功率模块硬件电路对所提方法进行实验研究,验证此方法用于功率模块故障诊断的有效性。     

一种基于MMC的电动汽车充放电系统及其稳态运行研究

针对特定场合下规模化电动汽车集中充放电需求以及由此引起的电网三相不平衡、并网谐波含量高等问题,提出了一种基于模块化多电平换流器(modular multilevelconverter,MMC)的规模化电动汽车集中充放电系统。其拓扑在传统MMC的基础上,在子模块内部通过双向Buck/Boost电路连接连接电动汽车,通过控制实现了电网与子模块内电动汽车动力电池之间功率双向流动,并且可以避免目前由于大规模充放电引起的电能质量问题。通过Matlab/Simulink仿真,在模块全接入电动汽车的情况下,对系统结构的可行性和控制策略的有效性进行了验证,结果表明该系统兼具较高的灵活性和良好的电网友好性。     

基于电压电平的MMC直接功率预测控制策略

针对模块化多电平变流器（MMC）传统控制复杂的问题,本文提出了一种基于电压电平的MMC直接功率预测控制策略。与预测电流控制器相比,该控制策略的优点是不需要锁相环采集角度信息,能够摆脱旋转变换和内环电流计算。此外,所提控制策略采用三相统一控制,无需逐项控制,简化了控制结构。本文首先建立了MMC的数学模型,接着给出了所提控制策略的设计思路以及控制框图,最后在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证。结果表明：所提策略在降低功率纹波和功率追踪方面具有显著优势,并且在暂态和网侧电感参数失配的情况下,仍能达到良好的控制效果,具有鲁棒性和快速响应能力。     

考虑子模块均压约束的混合型模块化多电平换流器功率极限分析

混合型模块化多电平换流器具备降压运行和不闭锁穿越直流故障的能力,子模块均压约束是其降压运行时对稳态功率运行范围起主要限制的运行约束。从满足子模块均压约束的换流器桥臂电流和桥臂电压的特性出发,分析了混合型模块化多电平换流器在降压运行时的功率极限运行范围。提出了快速确定混合型模块化多电平换流器可行功率运行域的计算方法。通过对比解析扫描计算的结果和电磁暂态仿真共同验证了计算方法的准确性和有效性。分析了全桥子模块比例对功率运行极限范围的影响。从功率运行能力的角度提出了全桥子模块最小比例的设计方法。     

MMC子模块故障下能量再平衡控制与安全运行域分析

模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电领域得到了广泛的应用。在高压大功率场合,MMC的子模块数量庞大,子模块故障是一种常见的故障类型。为了提高可靠性,通常MMC每个桥臂上均设置一定数量的冗余子模块。然而,当MMC发生不对称子模块故障时,直流电流中会出现基频波动,影响MMC的运行性能。针对上、下桥臂同时存在故障子模块的工况,分析了MMC桥臂间能量平衡的条件。据此,提出了一种能量再平衡控制策略,以抑制直流电流中的基频波动。与传统控制策略相比,在额定冗余运行域内,所提控制策略无需提高子模块电容电压。分析了采用所提控制策略时MMC的最大安全运行域,结果表明所提控制策略能扩展MMC的安全运行域,进一步提高其可靠性。±350 k V/1 000 MW的MMC硬件在环实验结果验证了所提能量再平衡控制策略的有效性以及安全运行域分析的正确性。     

基于模块化多电平换流器的交直流混合电网稳态建模及仿真

由于模块化多电平换流器(MMC)在容量升级、电磁兼容、故障管理等方面具有明显的技术优势,其在交直流电能变换与控制中的应用越来越广泛。首先,基于电路原理中的平衡桥同电位点可以短接的等效理论,建立基于MMC的交直流混合系统简化等效电路模型;然后,导出基于MMC的交直流混合系统纯交流节点的潮流方程、直流节点的潮流方程和MMC换流器的基本潮流计算方程,并依据所建立的稳态模型和MMC控制方式,分析适用于基于MMC的交直流混合系统潮流算法;进而,基于自动微分技术,提出一种具有3阶收敛速度的统一迭代改进潮流算法;最后,通过算例验证所建立模型和算法的有效性。     

基于MMC的同相供电潮流控制器控制策略研究

模块化多电平换流器(MMC)与平衡变压器相结合的潮流控制器(PFC),可节省传统牵引供电系统中的匹配变压器,满足高压大功率的应用。首先介绍了系统工作原理,重点研究了其中单相MMC背靠背换流器两端的补偿电流。提出了一种综合控制策略,包括变流器两端补偿电流的提取算法,子模块电容电压均衡控制,环流抑制策略以及PWM调制方法。最后在Matlab/Simulink中搭建了系统模型,分别对交直交型电力机车的牵引和再生制动工况进行仿真,验证了所提控制策略的有效性。     

适用于多能协同运行的MMC型三端主动电力调节系统

为了实现多能互补微网中分布式能源的有效利用、对本地负荷的可靠优质供电以及微网与主网之间功率的灵活调配,基于模块化多电平换流器型统一电能质量控制器(MMC-UPQC),提出一种MMC型三端主动电力调节系统,讨论并分析了MMC型三端主动电力调节系统的组成及其在多能互补微网中的运行模式,设计了协调控制策略以实现微网中电能质量综合治理兼顾微网与主网之间功率可控调节的一体化功能。通过PSCAD/EMTDC仿真分析验证了MMC型三端主动电力调节系统在多能互补微网中综合实现电能质量治理和灵活优质供电功能的可行性和有效性。     

Fast valve power loss evaluation method for modular multi-level converter operating at high-frequency

There is no common accepted way for calculating the valve power loss of modular multilevel converter (MMC). The method based on analytical calculation is inaccurate to address the switching power loss while the method based on detailed electro-magnetic simulation is of low speed. To solve this problem, an accurate valve power loss evaluation method of MMC based on the detailed equivalent simulation model of MMC is proposed. A fast power loss evaluation method is then proposed by linking the PSCAD/EMTDC and Matlab files. Detailed valve power loss analysis of a 201-level 500MW MMC operating at 50Hz~1000Hz is then presented. Relationship between the valve power loss, power transfer level and operating frequencies are presented and fitted. Research results of this paper can be used as guidance for the application of medium and high frequency MMC.     

计及多端口直流潮流控制器的直流电网潮流计算

基于含模块化多电平换流器的多端口直流潮流控制器(MDCPFC)的工作原理,提出了一种计及MDCPFC的直流电网潮流计算方法。该方法将加装的MDCPFC用安装支路端点的节点注入功率的修正量来表示,使得运算简便,从而提高了运算效率。以舟山五端柔性直流工程为例,通过对比加装MDCPFC直流电网的潮流计算结果与PSAT软件计算结果以及加装2个直流潮流控制器的计算结果,验证MDCPFC的控制效果更好。     

MMC子模块控制器设计与测试

子模块控制器（ sub-module controller , SMC ）的控制保护功能对模块化多电平换流器直流输电（ modular multilevel converter based high voltage direct current ,MMC-HVDC）的运行有着极大的影响。首先,介绍了子模块与SMC硬件架构,开发调试了基于复杂可编程逻辑器件（ complex programmable logic device , CPLD）的SMC控制程序,研究了SMC与其上层控制阀基控制器（ valve based controller , VBC ）之间的协调控制以及子模块保护策略。最后对子模块进行了稳态的空载、带载实验以及MMC-HVDC物理模拟系统的系统实验,实验结果证明了子模块的性能良好,SMC可以与VBC进行有效通讯并可以对子模块进行有效控制保护以及稳态测试平台的有效性。