MMC子模块中IGBT等效模型的仿真验证

RTDS（real time digital simulation）上小步长仿真模块对开关元件的数量有严格的限制,而模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的每个子模块都有2个电力电子开关元件IGBT。随着系统容量的不断增加,如何在有限的硬件资源中实现多电平系统的仿真成为实时仿真系统的瓶颈。对如何在RTDS大步长的环境中建立正确的IGBT元件等效模型进行了分析,根据IGBT在MMC子模块（sub-module,SM）中的工作原理,采用开关函数建立IGBT的等效数学模型。该模型能够有效减小仿真占用的资源,扩大仿真容量,在大步长环境下能够正确表征IGBT的运行特性。采用Matlab验证了所建立的IGBT模型的可行性和正确性。     

基于数值计算模型的MMC半桥型子模块仿真方法

模块化多电平换流器(MMC)的各半桥子模块均由两个开关组(1个IGBT和1个反并联的二极管)构成。针对MMC在包含的子模块规模较大的情况下,对采用电路模型分割法对MMC进行分割后的子模块进行仿真求解时仍然会占用较多资源,效率不高的问题,提出了基于数值计算模型的MMC半桥子模块仿真验证方法。首先通过分析三相MMC及其半桥子模块(HBSM)的工作机制,把半桥型子模块中的两个开关组等效为在高、低阻态不断切换的等效电阻并给出了其等效电路。然后针对电容支路的离散化问题,根据梯形积分法推导了MMC半桥型子模块的数值求解公式,给出了数值计算电路模型。最后基于MATLAB仿真平台建立了基于数值计算模型的半桥子模块仿真验证模型,通过与详细模型子模块的仿真波形对比分析,结果表明了所建立的子模块数值计算模型是可行的。     

基于RTDS的模块化多电平换流器子模块等效模型

采用模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电是目前最具前景的直流输电方式。MMC系统需要大量的子模块串联,这给实时仿真带来巨大挑战。文中在实时数字仿真仪(RTDS)中采用CBuilder建立了自定义子模块rtds_SM,不仅能够减少RTDS仿真中MMC子模块的占用资源,还能解决已有的MMC封装模块不能用于研究MMC系统子模块发生故障的特性及其控制保护策略的问题。对子模块中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、反并联二极管、电容进行建模,实现了用于子模块控制和保护的旁路开关以及旁路晶闸管模型。所建立的rtds_SM具有8个输入和2个输出,能反映子模块的各种运行工况以及子模块的电容均压控制。仿真结果表明,提出的MMC子模块模型占用仿真资源小且仿真精度高。     

模块化多电平换流器IGBT状态参数在线监测方法*

考虑模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter ,MMC)可靠性与关键元件参数密切相关,本文提出一种针对其子模块(Submodule, SM)中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)状态参数估计的新方法。首先分析子模块开关状态量与电压的关系并建立桥臂电压数学模型;针对通过传感器采集的桥臂数据存在测量噪声,引入卡尔曼滤波理论,在线性最小方差准则下,建立了MMC子模块IGBT状态参数监测信息的数学模型,从而得到桥臂各子模块IGBT状态参数。该方法仅利用输电系统中已布置传感器,无需添加新的采集点,在不增加量测系统复杂度的同时有效降低投资成本与采样开销。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了MMC-HVDC的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了所提出的估计算法的有效性,且能有效消除桥臂传感器噪声的影响。该方法对提高监测系统的便携性,降低成本和能耗,有一定的参考价值。     

基于大规模子模块群的MMC建模与快速仿真算法

对高压大容量模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)和基于MMC的直流输电系统进行仿真时,子模块数目众多,导致了仿真速度缓慢。针对该问题,分析了MMC桥臂的电气行为,建立了在闭锁状态和解闭锁状态时桥臂的数学模型。对该数学模型进行简化后,建立了桥臂的等效电路和等效电气关系,使之能够模拟桥臂的闭锁状态和解闭锁状态。为验证桥臂的等效电路和等效电气关系的准确性,设计了一个柔性直流输电系统,并在仿真软件中搭建了基于详细MMC模型和简化MMC模型的直流输电系统,对MMC的启动、解闭锁、稳态过程和直流故障过程进行了仿真。仿真结果表明,2种仿真模型的电气行为基本保持一致,验证了简化MMC模型的准确性。     

基于最大电压偏差裕度的MMC子模块均压优化算法研究

根据模块化多电平换流器(MMC)的运行原理,针对传统子模块电容电压排序算法存在器件开关频率高、从而引起开关损耗较大的问题,本文提出一种基于最大电压偏差裕度的均压优化算法。该算法考虑了子模块上一时刻开关投切状态以及各子模块电压之间的差值,可以在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,避免IGBT不必要的反复投切,有效降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗,从而提高系统运行效率。本文通过在Matlab/Simulink平台上搭建21电平的MMC仿真模型进行了仿真,仿真结果验证了均压优化算法的正确性和有效性。     

基于滑模观测器的MMC IGBT开路故障诊断

为了提高模块化多电平变换器(MMC)系统的可靠性,提出了一种基于滑模观测器的MMC子模块(SM)开路故障诊断方法.首先根据MMC的运行原理设计了滑模观测器.再利用观测器估计的输出与传感器测量的输出构造残差信号,通过对残差信号的分析实现子模块开路故障的检测.然后根据故障子模块输出电压特性确定故障位置.最终,在MATLAB/Simulink中搭建单相MMC仿真模型,模拟其中的一个子模块的IGBT发生开路并进行故障诊断.结果表明提出故障诊断方法的正确性.     

模块化多电平换流器子模块短路故障分析、检测与定位方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)由大量的子模块串联而成,MCC子模块的运行状态直接影响整个换流站的运行,所以研究MMC子模块的故障特性及故障快速检测与定位方法具有重要意义。本文首先分析了MMC子模块发生短路故障的特性,推导出故障分量的计算公式;然后提出了一种基于MMC子模块电容电压的新型微分欠压检测方法,实现了对MMC故障子模块的检测;最后利用小波变换进行故障IGBT的定位。PSCAD/EMTDC仿真实验表明,本文提出的方法能够准确计算发生MMC短路故障后的IGBT电容电压,并且在不引入额外测量装置的情况下,能快速检测故障子模块并定位故障IGBT,仿真结果验证了本文提出方法的有效性和可靠性。     

压接型IGBT在MMC系统中的电热耦合仿真

目前已知的高压柔性直流输电工程中的电压源换流器(voltage source converter,VSC)大多采用模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC),MMC子模块中半桥子模块的应用最为广泛。高压直流输电系统的高可靠性要求半桥子模块的搭建必须采用压接型的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)。本文主要针对压接型IGBT半桥模块的MMC展开电热耦合的仿真,探索出一种基于Foster热网络的电热耦合仿真方法,从热稳定性的角度对MMC系统的安全运行域进行了刻画。     

具有直流故障自清除能力的新型MMC子模块及其混合拓扑

针对传统半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)在高压大功率领域不能通过换流器自身控制来实现直流故障的阻断问题,提出一种新型的类半桥型(Similarity Half Bridge Sub-Module,SHBSM)子模块拓扑结构。直流侧发生极间短路故障时,需同时闭锁所有IGBT脉冲信号。为降低IGBT触发一致技术要求,进一步提出一种类半桥-半桥混合型子模块,无需所有IGBT同时闭锁。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的类半桥型子模块,类半桥-半桥混合型子模块MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。相比于传统半桥型子模块MMC,类半桥型子模块MMC以及半桥-半桥混合型子模块MMC均无需增加IGBT的投入,即可以实现对直流侧故障电流的有效阻断,因此,具有较好的应用前景。     

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。     

具备直流故障阻断能力的改进型多电平子模块

对于模块化多电平变换器(MMC)而言,多电平子模块能够有效改善传统桥式子模块带来的级联模块繁多、系统体积过大等问题,但传统的多电平子模块通常不具有直流故障阻断能力。为了改善多电平子模块的直流故障阻断能力,提出一种改进型T型子模块结构(MTMSM),该结构通过闭锁模块内部的IGBT便能够阻断直流故障。搭建基于所述子模块结构的MMC系统的仿真模型以及硬件平台,二者结果均表明所述结构具有良好的直流故障阻断能力。     

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。     

MMC控制系统中子模块控制器的设计

为了保证模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converters,MMC)的正常工作,实现电容电压的平衡控制,设计了MMC控制系统中的子模块控制器。首先阐述了MMC控制系统的总体结构和工作原理,介绍子模块控制器在MMC控制系统中的作用。然后介绍了子模块控制器的主要硬件模块和软件部分的设计,着重介绍了在硬件上实现对IGBT的欠压与过流保护和用软件产生带死区保护的PWM驱动脉冲。最后在基于MMC的直流/交流(DC-AC)变换器实验平台上验证了设计的子模块控制器的合理性和可行性。     

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。     

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。     

模块化多电平换流器功率模块过压保护策略及优化

阐述了模块化多电平换流器(MMC)功率模块IGBT不同封装方式及失效机理,分析了功率模块在故障前后及旁路开关闭合前后的工作原理。阐述了不同IGBT封装方式的MMC功率模块过压保护工作原理,针对焊接式IGBT功率模块过压保护策略存在电压测量过程中采样异常导致换流器跳闸的风险,对功率模块过压保护策略提出优化设计。优化策略在功率模块控制板卡中实现,程序资源占用量小且易于实现,有效避免了高层级控制设备误判误动作的风险。此外,提出了过电压判据以避免系统过压时误旁路功率模块。通过仿真验证了文中所提优化策略的有效性和可行性,所提出的优化策略已在某一实际工程中应用。     

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。