混合MMC等微增率子模块冗余配置方法

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)子模块冗余配置方法需考虑系统可靠性与经济性等多个因素。该文针对在高压直流输电领域具有较好应用前景的半全混合MMC,提出一种等微增率子模块冗余配置方法。首先,给出基于古典概型的半、全桥子模块与混合MMC可靠性模型。其次,在半全混合MMC可靠性计算的基础上,分别讨论在子模块成本和可靠性两种约束条件下的冗余子模块的配置方案。结果显示,按照相等的微增率原则配置冗余子模块,可实现换流器可靠性最高和冗余子模块成本最低的目标。最后,在Matlab中计算验证所提出的等微增率子模块冗余配置方法的有效性。     

考虑子模块相关性的MMC可靠性分析方法

已有的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)可靠性分析方法多数未考虑大量子模块之间(submodule,SM)的相关性,在一定程度上会导致最优冗余配置方案的选取缺乏合理性,因此重点解决考虑子模块相关性的MMC可靠性分析方法问题。首先,建立单个子模块的可靠性模型;其次,考虑同一个MMC桥臂中子模块电压纹波和相间环流等因素对各子模块使用寿命的影响,选取符合这一特殊应用场景的Copula函数,建立MMC各桥臂的可靠性函数。再次,分析考虑子模块相关性前提下不同的子模块冗余配置方案对MMC可靠性的影响。最后,利用Matlab软件编程验证了所提出的MMC可靠性分析方法的正确性和有效性。将Copula函数与数理统计领域的分析方法相结合,所得到的桥臂联合概率分布函数便于后续拓展与改进,为用于直流输电的多电平换流器的可靠性分析方法提供了较强的理论支撑。     

柔直配电系统混合型MMC可靠性评估

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC) 作为柔性直流配电系统中的关键设备直接关系到整个配电系统的安全可靠,因此有必要对其可靠性的进行评估。本文首先对半、全桥以及混合型MMC进行比较分析,对比得出混合型MMC更适合运用柔直配电系统。然后通过对MMC工作原理、直流阻断能力、冗余配置的阐述计算出了全、半桥模块数及比例;建立元件可靠性模型并运用故障树法对混合型MMC进行了可靠性建模。最后利用Matlab针对冗余配置、全、半桥子模块比例、IGBT结温及损耗进行算例分析,得出结论：合理的冗余配置以及全、半桥比例是设计混合型MMC的关键所在。并指出IGBT的运行工况会导致混合型MMC的故障率提升。     

模块化多电平换流器故障容错控制策略

模块化多电平换流器型轻型直流输电系统,其拓扑结构中各桥臂级联了大量子模块,系统运行时容易出现可靠性问题。针对桥臂冗余子模块耗尽的情况,基于桥臂能量均衡和最近电平调制提出一种桥臂子模块对称切除及系统运行于不对称状态的控制方法,保证了系统不间断安全稳定运行。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了21电平两端有源的模块化多电平换流器型轻型直流输电系统模型。仿真结果验证了所提出的故障容错控制策略的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略

阐述了模块化多电平换流器(MMC)子模块故障类型,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块故障、直流电容故障和控制信号故障。分析比较了3种子模块冗余容错方案的优缺点,选择采用对MMC影响较小的子模块热备用的冗余容错方案。该方案的缺点是MMC运行于不对称状态,导致MMC直流电流出现波动。为此,在推导MMC冗余运行状态的基本数学模型、得出桥臂能量数学表达式的基础上,提出了基于桥臂能量平衡的冗余容错控制策略来抑制直流电流的波动。在时域仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了61电平MMC模型,仿真结果验证了提出的冗余容错控制策略的有效性。     

桥臂交替导通换流器的模块最优冗余配置方法

桥臂交替导通换流器是混合多电平换流器的一种,在高电压大容量架空线直流输电领域具有广泛的应用前景。文中首先兼顾换流器正常运行和直流故障穿越能力,分析桥臂交替导通换流器整形电路和导通开关的模块初始数目。其次,根据器件承受应力和开关频率,结合器件实际结构,分析了桥臂交替导通换流器中整形电路和导通开关的重要器件的可靠性,以计算其整形电路和导通开关的模块可靠性。在此基础上,考虑换流器的可靠性和经济性,提出桥臂交替导通换流器中整形电路和导通开关中模块的冗余配置方法,筛选出最优冗余配置方案,并引入具体算例验证了所提出的冗余配置方法的有效性。     

考虑载荷状态不确定性的柔性多状态开关可靠性模型

为表征柔性多状态开关载荷特性对其可靠性的影响,该文提出一种改进的柔性多状态开关可靠性建模方法。首先考虑配电网源荷不确定性,采用蒙特卡洛模拟和优化潮流方法求解绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块的电流载荷期望,建立计及随机电流载荷影响的IGBT等效可靠性模型;其次,分析子模块故障率与电压载荷的关系,基于桥臂均压策略,采用数学归纳法建立子模块相继故障下桥臂阀组可靠性动态变化模型;在此基础上修正单端模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)可靠性模型,并基于马尔可夫方法建立柔性多状态开关八状态可靠性模型。算例计算三端的IGBT、MMC以及整个装置可靠性指标,并与传统模型计算结果对比,验证模型的有效性和实用性。     

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。     

基于载波移相调制的模块化多电平换流器冗余保护策略

模块化多电平换流器(MMC)桥臂中冗余子模块的存在是换流器可靠运行的重要保障,能够避免子模块故障时换流器无法正常运行甚至可能退出运行的风险。为此,分析了不同调制策略下冗余保护的换流器损耗,并基于此提出了基于载波移相调制的新型冗余保护策略。该策略在故障后根据子模块的运行状态进行载波动态分配,无需记录载波量;可通过改变载波来切换冗余子模块和未故障子模块的运行状态,优先为冗余子模块充电;同时,引入电容电压优化控制,以保证附加载波控制时桥臂的电容电压波动较小,降低相间环流和维持控制器的稳定。7电平和101电平MMC系统的仿真结果验证了所提冗余保护策略的有效性和通用性,且对系统控制稳定性影响较小。     

模块化多电平换流器桥臂不平衡运行特性及冗余保护策略北大核心

当模块化多电平换流器发生子模块故障时,换流器将运行在桥臂不对称的状态,会引发基频环流增大等一系列问题,进而影响换流器的运行特性。为此,综合考虑冗余子模块以及桥臂不对称运行的影响,对柔性直流系统数学模型、子模块开关函数以及环流产生机理进行了深入分析。在此基础上,提出了改进的换流器冗余保护策略。与传统策略不同,该策略在子模块故障发生后,无需切除非故障桥臂子模块,通过调整子模块电压基值降低桥臂不对称度。在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了双端直流输电系统模型并进行了仿真验证,仿真结果证明所提出的策略可使换流器在桥臂不平衡状态下保持良好的运行特性,增强了换流器抵御子模块故障的能力。     

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%。     

考虑冗余系统时变故障率和更新过程的MMC可靠性建模及其应用

针对现有模块化多电平换流器(modular multi-level converter, MMC)可靠性计算中未充分考虑冗余系统故障率时变性和缺乏考虑更新过程,从而不能科学衡量MMC可靠性的问题,提出了一种考虑MMC冗余系统故障率时变性并引入N阶梯更新过程的MMC可靠性建模方法。首先,从冗余程度、冗余方式角度细化MMC冗余系统的分类,建立可靠度与故障率间的数学解析关系来量化表征冗余系统故障率时变的变化特性,分析传统马尔科夫模型所计算的冗余系统故障率过小而导致可靠性计算结果偏高的不合理问题;其次,利用N阶梯故障率取代传统MMC冗余系统的时变故障率,并同时引入更新过程理论推导MMC的平均无故障工作时间(mean time to failure, MTTF)和稳态可用度公式,以此修正传统MMC可靠性参数计算结果偏高的问题。最后,以半桥子模块的MMC为例,验证了所提方法的有效性和可行性。     

考虑冗余系统时变故障率和更新过程的MMC可靠性建模及其应用

针对现有模块化多电平换流器(modular multi-level converter, MMC)可靠性计算中未充分考虑冗余系统故障率时变性和缺乏考虑更新过程,从而不能科学衡量MMC可靠性的问题,提出了一种考虑MMC冗余系统故障率时变性并引入N阶梯更新过程的MMC可靠性建模方法。首先,从冗余程度、冗余方式角度细化MMC冗余系统的分类,建立可靠度与故障率间的数学解析关系来量化表征冗余系统故障率时变的变化特性,分析传统马尔科夫模型所计算的冗余系统故障率过小而导致可靠性计算结果偏高的不合理问题;其次,利用N阶梯故障率取代传统MMC冗余系统的时变故障率,并同时引入更新过程理论推导MMC的平均无故障工作时间(mean time to failure, MTTF)和稳态可用度公式,以此修正传统MMC可靠性参数计算结果偏高的问题。最后,以半桥子模块的MMC为例,验证了所提方法的有效性和可行性。     

模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护

对模块化多电平换流器（MMC）的基本工作原理进行了阐述,分析了MMC中子模块的几种常见故障原因,指出了单个子模块故障会引发直流电压和直流电流的振荡,最终将导致换流器停运。对级联H桥多电平换流器几种常见的子模块故障冗余保护方案进行了比较,在此基础上提出了适合MMC的子模块故障冗余保护方法。该方法将少量冗余子模块置于热备用...     

考虑系统损耗的MMC换流阀冗余配置策略

模块化多电平换流阀具有扩展性强、响应速度快等优点,现已成为柔性直流输电工程建设的首选。其可靠性关系到整个输电系统的安全运行,而损耗特性则关系到输电系统的经济运行。为了提高柔性直流输电系统的可靠性,对换流阀一般会设置一定的冗余度,但过高的冗余度又会带来严重的损耗。基于以上考虑,分析了冗余度与可靠性、损耗的关系,推导了其数学解析表达式。然后,提出了一种基于多目标优化的MMC换流阀冗余度优化配置方法,使得柔性直流输电系统能兼顾可靠性和损耗。最后通过工程算例对所提出的方法进行了验证,表明采用所提出的方法能提高柔性直流输电系统的综合性能。     

计及金属化膜电容器失效的MMC换流阀组件可靠性评估

换流阀组件的可靠性直接影响模块化多电平换流器(MMC)装备的运行安全,现有对换流阀组件可靠性评估大都忽略了电容器失效的影响,提出计及金属化膜电容器腐蚀失效的MMC换流阀组件可靠性评估方法。首先,基于实际电容器结构和材料属性,建立了金属化膜电容器的温度场模型,并对其温度分布规律进行比较验证。其次,在分析金属化膜电容器失效模式的基础上,以腐蚀失效为例,考虑电压和温度加速因子的影响,建立了金属化膜电容器的故障率模型。最后,结合焊接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)故障率模型,提出了计及金属化膜电容器失效的换流阀组件可靠性评估模型,对MMC换流阀的整流与逆变工况进行故障率计算和对比。结果表明:提出的模型可以较好地评估换流阀组件不同运行工况下的可靠性,电容器失效对MMC换流阀组件可靠性影响较为明显,逆变工况下组件的故障率明显高于整流运行工况。     

基于阶梯波调制的MMC电容电压平衡控制方法对比研究

针对阶梯波调制策略应用于模块化多电平变流器(MMC)时子模块电容电压的均衡问题,分析并比较两种典型的电容电压平衡控制方法。结合基于阶梯波调制策略的MMC工作机理的分析,详细论述开关序列轮换法和排序冗余选择法的基本思想和实施细则,给出两种控制方法在电压平衡效果、开关频率、算法结构和硬件要求四个方面的比较结果。依据相同的主电路参数,建立基于开关序列轮换法和排序冗余选择法的阶梯波调制MMC仿真模型和物理实验平台。仿真和实验结果表明,开关序列轮换法稳态表现良好,而排序冗余选择法有较强的暂态调节能力,后者具有较好的实用性和可靠性。     

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。     

模块化多电平换流器新型桥臂环流抑制策略研究

为抑制模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的内部环流,介绍了一种新型的桥臂环流抑制策略,包括其MMC改进拓扑、环流抑制方法及电压校正模块(Voltage Correcting Module,VCM)的稳压控制方法。为便于工程应用,提出了该策略的VCM冗余控制方法,并对VCM进行了参数设计,包括子模块电压设计和支撑电容容值设计。仿真结果说明了所提VCM参数设计合理,验证了该冗余控制方案可在维持VCM电压稳定的基础上有效抑制换流器的桥臂环流。该方案适用于所有MMC系统,在使用IGBT串联MMC的高压大容量场合优势明显。