模块化多电平变流器的低频控制策略EI北大核心CSCD

为了研究模块化多电平(MMC)低频电容电压波动的问题,提出了一种MMC低频运行控制策略。首先,建立了MMC的数学模型,从能量流动的角度研究了MMC的电容电压波动情况,指出桥臂能量偏差与系统的运行频率呈反比,致使系统在低频下无法正常运行。针对这一问题,提出了一种在桥臂环流和输出电压中加入高频方波分量的方法来抑制电容电压的波动,确保MMC桥臂能量的平衡。理论分析结果表明,相比于加入高频正弦分量的方法,采用该方法得到的桥臂环流的峰值降低了50%。最后采用上述方法进行了阻感和电机实验,结果表明,模块电压波动得到了有效抑制,电机低频调速性能良好,证明了所提出的控制方法的有效性。     

模块化多电平变流器的低频控制策略

为了研究模块化多电平(MMC)低频电容电压波动的问题,提出了一种MMC低频运行控制策略。首先,建立了MMC的数学模型,从能量流动的角度研究了MMC的电容电压波动情况,指出桥臂能量偏差与系统的运行频率呈反比,致使系统在低频下无法正常运行。针对这一问题,提出了一种在桥臂环流和输出电压中加入高频方波分量的方法来抑制电容电压的波动,确保MMC桥臂能量的平衡。理论分析结果表明,相比于加入高频正弦分量的方法,采用该方法得到的桥臂环流的峰值降低了50%。最后采用上述方法进行了阻感和电机实验,结果表明,模块电压波动得到了有效抑制,电机低频调速性能良好,证明了所提出的控制方法的有效性。     

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。     

电网电压不对称工况下模块化多电平变换器控制策略

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)各部分之间的功率关系,提出一种适用于电网电压不对称工况的MMC综合控制策略,包括直流母线电压控制、桥臂电容电压控制和交流侧电流控制。其中,桥臂电容电压采用层次化方法控制,在电网电压不对称时,通过调整直流母线功率在MMC三相桥臂间的分配,实现交流侧电流对称。内环采用桥臂电流直接反馈控制,可实现交流侧电流、直流母线电流和环流的三重控制,在电网电压不对称时无需交流侧三序电流控制器以及三序环流控制器。提出通过在桥臂电流参考值中添加零序电流抑制器,消除由桥臂不对称损耗引入直流母线的基频零序电流。搭建了10k VA三相MMC实验样机,实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于桥臂电流控制的模块化多电平变换器综合控制策略

通过分析模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)各部分之间的功率关系,提出一种MMC综合控制方案,包括直流母线电压控制和桥臂电容电压控制。该方案内环采用桥臂电流直接反馈控制,可实现交流侧电流、直流母线电流和内部环流的三重控制,不需要专门的环流控制器。该方案各桥臂电容电压控制基本相互独立,易于实现分布式控制。提出一种电流前馈控制方案,能有效减小电容电压的动态波动,提高动态响应速度。搭建了10 k VA三相MMC实验样机,实验结果验证了所提控制方案的可行性和有效性,并具有优良的动静态特性。     

低频工况下MMC模型预测控制策略EI北大核心CSCD

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在船舶电力推进系统、电力传动以及变频驱动等领域有着广泛的应用前景。然而,MMC在启动或低频运行时,子模块(sub-module,SM)电容电压波动急剧增大,严重危害了MMC系统的安全运行。文中提出一种MMC低频SM电容电压波动抑制的模型预测控制策略。建立含共模电压的电流预测模型及桥臂电压差预测模型,构建统一控制代价函数对参考值与实测值的误差进行评估。在滚动优化中采用2N+1电平输出方式,可为低频MMC的最优控制提供更多的选择自由度。为验证所提控制策略的可行性与有效性,对其进行仿真和实验研究。结果表明,所提的控制策略能有效抑制低频时MMC子模块电压的波动,降低系统输出电流谐波含量,提升MMC系统安全运行能力。     

模块化多电平换流器桥臂电流分析及其环流抑制方法

为了抑制模块化多电平换流器(MMC)内部环流,对MMC桥臂电压的波动和环流产生的机理进行了分析,提出了一种抑制环流的补偿控制方法。MMC在进行功率交换时,由于桥臂电流的作用,导致子模块电容电压发生周期性的变化,采用平均值的方法分析得出子模块电容电压包含直流分量和交流分量。采用最近电平调制法进行换流器电压调制,由于子模块电容电压含有直流分量以及基频分量偏差,导致桥臂电压与期望值间存在基频偏差和二倍频等分量,从而产生环流。通过对桥臂电压与期望值的偏差量进行补偿,能够消除桥臂电压的偏差,从而抑制换流器桥臂间的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了11电平MMC双端直流输电系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平变流器的直接功率控制仿真研究

新型模块化多电平变流器(modular multilevelconverter,MMC)通常采用双闭环矢量控制策略,针对该方法存在的需调整控制参数较多、动态响应慢等问题,研究MMC的直接功率控制策略及电容电压平衡方法。首先,将现有的桥臂模块电压排序法与参考信号中叠加平均值控制量的方法进行综合,控制电容电压平衡;然后,在桥臂内电容电压相互平衡的基础上,利用双闭环PI调节器控制桥臂间各电容电压保持一致并跟踪给定,使电压波动范围明显减小,提高变流器输出波形质量;最后,将变流器虚拟磁链直接功率控制策略应用于MMC。研究该种拓扑结构下的功率估计方法,并利用Matlab对所设计系统进行仿真验证,结果表明所提控制方法正确、有效。     

基于准比例谐振环流控制的MMC变频运行控制

针对模块化多电平变换器(MMC)运行在变频调速状态下子模块电容电压存在剧烈波动、桥臂电流及输出电流存在严重畸变的问题,提出一种基于准比例谐振(PR)控制器环流控制的MMC变频运行控制策略,该策略从桥臂能量出发,通过将引入的高频共模电压和定义的高频共模电流与桥臂能量的平均控制和均衡控制相结合,实现了减弱子模块电容电压波动的目的,同时,还引入了基于准PR控制器的环流控制策略,改善系统的稳定性。最后,通过实验验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

模块化多电平变流器低频调速系统控制方法

详细分析了模块化多电平变流器能量流动情况,研究了变流器桥臂能量波动的原因,并指出桥臂能量波动与运行频率成反比,且当模块化多电平变流器调速系统在低频运行时,由于模块电容电压波动过大而无法正常工作。针对该问题,文中提出在桥臂共模电流中加入高频正弦分量,并同时在变流器输出共模电压中加入高频方波分量,从而在变流器上、下桥臂间引入高频能量交换,抑制模块电容电压波动。阻感及电机负载的实验结果证明,采用所提出的控制方法后模块电容电压得到有效的抑制,低频调速系统性能良好。     

两级式逆变器中间母线电压低频纹波抑制

两级式单相逆变器输出电压和电流都是低频交流电,输出瞬时功率中除含有直流量外还含有2倍输出频率的脉动量,造成中间母线电压出现二次纹波分量。为解决逆变环节产生的谐波引起母线电容发热从而危及母线电容的运行寿命以及母线电压脉动可能导致逆变输出电压畸变的问题,提出了一种通过改变前级直流变换器外环电压控制器参数以实现母线电压低频纹波抑制的方法,并研究了两级式直交逆变器中间母线电容电压特性,通过分析逆变环节输入电流中直流分量、二次谐波分量等表达式,从而揭示两级式逆变器中间母线电容低频电压纹波的产生及其影响因素。方法中前级直流变换器、后级逆变器均采用电压电流双闭环控制。仿真和实验结果表明该控制方法是正确、可行的,且母线电压低频纹波抑制效果明显。     

不对称电压暂降下最大功率输出的MMC协调控制策略

针对柔性直流输电系统交流侧不对称电压暂降下,模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）运行时出现的功率波动、三相电流不平衡等问题,提出了不对称电压暂降下最大功率输出的MMC协调控制策略。该策略根据不对称电压暂降下MMC系统运行特性随调节参数的变化规律,以抑制有功功率波动与输出三相平衡电流的协调控制为目标,构建了线性加权解析式确定调节参数,在保证MMC输出电流峰值在最大限制范围内时,输出最大有功功率。该策略既拓展了有功功率输出能力,又提升了系统的整体控制保护性能。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。     

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。     

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。     

一种MMC子模块电容电压波动最小化容值优化方法

模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)广泛应用于直流配电系统。MMC由多个子模块组成,减小子模块电容可以降低子模块成本,提高变换器功率密度。分析了共模电压、环流和调制比对电容电压波动的影响,利用电容电压波动的解析表达式,通过注入合适幅值和相位的三次共模电压和二、四次环流,选取最优调制比,使目标函数电容电压纹波达到最小化,从而在一定电容电压波动率下使其电容取值达到最小化。采用所提方法可以使子模块电容容值的需求降低至常规方法的22%,变换器功率损耗降低至常规方法的87%,而开关管电流应力与现有方法相比只增加0.5%。RT-LAB实时仿真结果验证了所提理论的正确性和可行性。     

A Method of Voltage Unbalance Compensation in a Y‐Connected Modular Multilevel Converter

A STATCOM is expected to be suitable for use as voltage control equipment for a distribution system that needs to be controlled to suppress the voltage deviation caused by an increase in the number of photovoltaic energy sources. A Y‐connected MMC is a promising alternative for the STATCOM circuit topology. However, it is known that the Y‐connected MMC cannot achieve capacitor voltage balance between phases with unbalance current output in order to compensate system voltage unbalance. To solve this problem, we propose a novel method to control the capacitor voltage for unbalance current output. The proposed control involves feedforward and feedback zero sequence voltage control. The feedforward control prevents capacitor voltage unbalance between phases, which is caused by the unbalance current that the Y‐connected MMC outputs. The feedback control cancels the remaining control error of the feedforward control. We verified the performance of this control through transient simulation. The Y‐connected MMC with the proposed control can realize capacitor voltage balance between phases even when the Y‐connected MMC outputs an unbalance current. Additionally, we determined the maximum unbalance current output produced by the Y‐connected MMC in relation to the rated capacitor voltage.     

基于MMC的电机驱动新型控制方法

针对电机在低频工况下出现的电容电压波动、桥臂环流等问题,提出了一种无权重系数的模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter ,MMC)驱动模型预测控制策略。在假设子模块(Submodule,SM)电容电压均衡的前提下,建立相电流目标函数并求取最优解,通过引入补偿电平数,实现对环流的优化控制。同时为改善传统排序均压控制算法速度较慢的不足,优化了现有SM电容均压控制策略,引入保持因子,并依据理想情况下MMC的电容电压规律,进行归并排序,保证了MMC中各SM电容电压的均衡。通过仿真验证了所提方法能有效实现对电机的控制。     

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。     

MMC-HVDC系统的低频模型预测控制方法

由于模型预测控制（model predictive control,MPC）具有原理简单、可同时实现多目标控制等优点,在模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）中应用越来越多,但传统模型预测控制存在计算量大、换流器开关频率高等问题。提出一种改进的模型预测控制方法,首先利用交流电流指标函数寻找最优开关状态组合,其次根据相邻时刻上子桥臂投入模块数目的变化,对开关状态组合进行优化,最后设计一个综合指标函数同时完成子模块电容电压平衡控制与环流抑制。该方法大幅减少了寻优过程的计算量,且降低了换流器的平均开关频率,减小了系统损耗,适合应用于MMC系统。基于MATLAB平台搭建了11电平三相MMC-HVDC仿真系统,仿真结果验证了所提方法的有效性和正确性。