模块化多电平型变流器电容电压波动及其抑制策略研究

以模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)上下桥臂的功率流动和能量波动为出发点,得到模块化多电平变流器上下桥臂子模块电容电压波动的数学模型。分析子模块电压波动与MMC传输功率、内部环流等物理量之间的关系。提出通过控制MMC内部环流的二次分量来抑制子模块电容电压波动的控制策略,通过测量相电流瞬时值和相电压调制值得到内部环流参考值,引入准比例谐振(Proportional-Resonant,PR)控制器进行环流闭环控制从而抑制子模块电容电压波动。该控制策略无需坐标变换,无交叉耦合项,简化了控制器的设计。仿真表明,在保持子模块电容大小不变的前提下,该控制策略能有效抑制子模块电容电压的波动,改善MMC输出的交流电压波形质量。     

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。     

基于连续控制集模型预测控制的MMC桥臂电流控制策略

模块化多电平变换器(MMC)的桥臂电流控制方法可同时实现交流侧电流控制和环流抑制。连续控制集模型预测控制(CCS-MPC)是一种时域内基于模型的最优控制方法,动态响应快,可以实现多频带复合信号的准确跟踪。提出一种基于CCS-MPC的桥臂电流控制方法,通过设计模型预测控制(MPC)控制器同时实现桥臂电流直流分量、基频交流分量的准确跟踪和倍频环流的抑制,克服了传统分频控制策略在暂态期间不同控制器相互影响的问题,无须对各个频率信号单独设计控制器,简化控制结构。在此基础上,提出了包含桥臂电流指令值计算、基于MPC的桥臂电流控制和子模块电容电压均压控制的MMC综合控制策略。最后,在MATLAB/Simulink中搭建三相MMC仿真模型,验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于混合谐波与附属电压的MMC变频运行方法

针对模块化多电平变流器(MMC)在变频运行状态下子模块电容电压存在剧烈脉动、桥臂电流以及输出电流出现严重畸变的问题,提出一种基于混合谐波注入与附属电压能量控制的MMC变频运行控制策略。该策略从MMC桥臂能量出发,通过将注入混合谐波的高频共模环流与方波高频共模电压相结合,抑制子模块电容电压脉动并降低桥臂电流开关应力和系统损耗。同时,还引入了附属电压能量控制,实现了三相桥臂能量的均衡控制,简化了额外的环流控制器,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。     

基于桥臂能量预测的模块化多电平换流器子模块故障优化容错控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(MMC)常见的一种故障类型,将故障子模块旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为使MMC系统在子模块旁路后依然能维持稳定运行,提出一种基于桥臂能量预测的MMC子模块故障容错控制策略。首先对各时刻桥臂子模块储存的能量进行动态预测,进而求得各时刻子模块电容电压的预测值,在不用附加环流抑制控制器情况下,实现对环流中不对称基频和二倍频谐波分量的有效抑制。该策略简化了系统控制的复杂度,既适用于桥臂子模块数不对称的运行状态也适用于正常运行状态。厦门柔性直流示范工程的电磁暂态仿真结果验证了所提出的容错优化控制策略的正确性。     

桥臂不对称情形下MMC无源性PI控制方法

考虑模块化多电平变换器（modular multilevel converter, MMC）桥臂不对称情形，针对环流基频分量不对称引起的dq解耦变换误差问题，提出基于双线性模型的无源性PI控制方法，实现故障相电容电压保持稳定、不对称环流分量的准确抑制、三相并网电流的平衡输出。在abc坐标系下，建立桥臂不对称情形下MMC双线性模型，完成非线性系统控制变量随状态变量同步变化的线性化转换，简化控制器设计，避免dq解耦变换引入的控制误差。从系统全局能量耗散特性出发，设计形式简单的无源性PI控制器，实现子模块电容电压纹波快速抑制，消除桥臂电流不对称性，同时确保闭环控制系统全局渐近稳定运行。基于Matlab的仿真结果验证了所提控制策略能够有效抑制MMC桥臂不对称的不利影响，具有响应快速、稳定性好、鲁棒性强的特点。     

模块化多电平换流器闭环均压策略研究

模块化多电平换流器(MMC)以其模块化结构、易于扩展及无需变压器等优点成为近年来的研究热点.子模块电容电压的稳定对MMC稳定运行至关重要,然而MMC各子模块电容电压均衡是MMC的难点.这里介绍了一种基于环流控制桥臂总能量和上下桥臂均衡能量的闭环均压控制方案.通过桥臂总能量控制器和能量均衡控制器来均衡子模块电容电压,确保子模块电容电压处于相同变化范围,保证MMC稳定运行.基于该策略搭建了单相五电平Matlab仿真和实验平台.实验和仿真结果验证了所述闭环均压策略的有效性.     

基于电容电压精确计算的MMC环流抑制方法

在MMC的阀级控制中,传统的子模块计算方法通常忽略了电容电压瞬时值的波动而直接以稳态平均值为基准来计算相应时刻的投入子模块数.这种近似的计算方法使桥臂中的实际投入子模块数与系统期望子模块数之间存在一定的偏差,从而引起桥臂电压与系统期望电压之间的偏差.此时,整个MMC系统为了实现电压与能量的平衡,便会产生桥臂环流的交流分量并通过桥臂电感补偿上述不平衡电压.桥臂环流的交流分量虽然只存在于MMC的内部并不影响MMC的外部输出特性,但其出现增加了MMC的桥臂电流有效值、开关电流应力、功率损耗以及波动,降低了MMC的性能,因此实际应用中通常需要对其进行抑制.鉴于此,在不增加硬件设备、测量环节以及附加控制器的前提下,从阀级控制系统中的子模块投入数目计算环节入手,提出了一种基于对MMC桥臂子模块电容电压精确计算的环流交流分量抑制方法.该方法工程实现简单,不依赖于任何调制策略,适用于任意相的MMC换流器,在实现环流抑制、提高MMC稳定可靠性的同时具有良好的应用经济性.基于Matlab/Simulink的模型验证了所提方法的正确性与有效性.     

基于模块统一脉宽调制的模块化多电平变换器优化模型预测控制

针对模块化多电平变换器传统模型预测算法(model predictive control,MPC)计算量大、权重因子调节复杂的问题,提出了一种优化的模型预测控制策略。通过控制各相上、下桥臂导通子模块的个数,控制交流侧电流快速跟随给定值,并抑制模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)内部环流。同时,基于子模块电容电压排序算法,稳定各子模块电容电压。相较于传统的MMC模型预测控制方法,该方法无需求解价值函数,很大程度上降低了控制器的运算量,同时有效控制了相电流、环流与子模块电容电压,适用于控制性能要求较高的场合。借助模块化多电平逆变器仿真模型与实验样机验证所提算法的有效性。结果表明,优化后的模型预测算法能有效抑制环流,维持子模块电容电压稳定,相电流快速跟随给定值,同时很大程度上减少了控制系统的计算量。     

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。     

Research on high voltage DC transmission system optimal control based on MMC

In high voltage direct current (HVDC) transmission system, modular multilevel converter (MMC) is not satisfactory to maintain the balance of the capacitor voltage and doesn’t have the DC side fault ride-through capability. This paper presents that the MMC bridge arm consisting of half bridge module and clamping double sub module in series can reduce the loss of steady state operation and the amount of components. The repetitive predictive control is proposed to suppress the circulation current and balance the capacitor voltage based on the topology of MMC. A related model is built in the PASAD/EMTDC software environment and a repetitive predictive control strategy is developed. The simulation results show that the proposed system not only has the DC side fault ride-through capability, but also carries out the capacitor voltage balancing task and minimizes the circulating currents.     

基于多变量校正的MMC快速有限集模型预测控制策略

有限集模型预测控制方法(finite control set model predictive control, FCS-MPC)因其能够实现多目标的控制,在模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)中得到广泛应用。随着子模块数量增加,模型预测控制方法计算量呈指数增长,面临计算复杂度高、权重因子难以整定等问题。为了解决上述问题,提出了一种基于多变量校正控制集的MMC模型预测控制策略(multi-variate adjusting set predictive control, MAS-MPC)。该策略基于输出电流与桥臂电压差对子模块投入控制集进行快速校正,通过评估两个成本函数得到最优开关矢量。此外,提出了一种基于分化中项的电容电压平衡方案,可以有效降低排序算法的复杂度。为了验证所提策略的有效性,使用Matlab/Simulink软件平台搭建了10电平的三相MMC系统,并与传统方案进行比较。所提方案在降低输出电流与环流的谐波含量的同时,大幅减少了系统的计算量,使得系统具有更快速的动态响应速度。     

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。     

模块化多电平变换器改进两段式模型预测控制

基于有限控制集的模型预测控制应用于模块化多电平变换器(MMC)时通常会暴露出计算复杂与交流侧输出电流严重失真等问题。提出一种双矢量优化谐波电流模型预测控制策略,即改进两段式模型预测控制,可减少开关状态组合计算量,进一步优化交流侧输出电流。推导了MMC离散数学模型,并构建无权重因子的代价函数,通过计算实际电流与参考电流包围的最小面积重新定义同一周期内两阶段开关信号的占空比,并引入一种附加冗余子模块的方法抑制桥臂环流,接着提出一种败者树多路归并排序算法均衡电容电压。在MATLAB/Simulink平台搭建三相23电平MMC仿真模型验证该策略的有效性。相比于两段式模型预测控制,所提策略的交流侧输出电流跟踪更加精准,谐波畸变率更小。     

基于附加电平MPC的MMC环流抑制与子模块双重均压控制

针对模块化多电平变换器的相间环流与子模块电压波动问题,提出了基于附加电平模型预测控制的环流抑制策略,利用附加的补偿电平实现总子模块数的实时更新,达到环流抑制目的;同时,将相间均压与相内子模块均衡作为子模块的第一重均压控制,再将所投入的子模块电压排序处理构成第二重均压控制。通过分析模块化多电平变换器的桥臂环流与桥臂电压之间的关系以及子模块电压波动的弊端,提出了环流抑制与子模块均压控制策略。最后,在Matlab/Simulink中搭建了31电平的模块化多电平变换器系统仿真模型,验证了所提策略的可行性与有效性。     

电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略

交流电网不对称故障工况下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)存在相功率不均衡的问题,常规的基于直流环流注入的调控方法会引起桥臂电流不对称,导致各相电流应力不相等;而基于零序电压注入的方法可能导致系统过调制,危害系统安全稳定运行。针对传统相功率均衡控制策略的局限性,提出一种交流电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略。首先,分析基于零序电压和直流环流注入的MMC相间功率调控原理,指出不同方法单独进行相间功率均衡的局限性。其次,研究零序电压注入方法的过调制边界,引入相功率分配系数,给出不同故障下相功率系数优化方法,提出基于零序电压和直流环流注入协调的MMC自适应相功率均衡控制策略。最后,通过仿真验证了机理分析与所提控制策略的正确性和有效性。     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

基于环流注入的MMC电容电压平衡控制策略

针对模块化多电平变换器(MMC)存在的电容电压在不同工况下易出现波动的问题,设计了一种基于环流注入的MMC电容电压平衡控制策略,其中环流参考是基于桥臂电流瞬时值和对应调制信号获得的。相对于传统环流注入方案,新方案不需要确定输出电流的幅值和相位,具有一定的优势。此外,电容电压平衡控制方案中还设计了能够跟踪环流参考的闭环控制器。最后,搭建了5 kV·A级MMC样机开展了相关试验,试验结果验证了新型电容电压控制器的效果。     

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。