具备直流故障穿越能力的混合MMC可靠性分析和冗余配置方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)已经成为高压直流输电领域具有很大应用前景的换流器技术。目前已有许多具有直流故障穿越能力的MMC子模块(sub-module,SM)拓扑,并且由不同类型的SM构成的混合MMC同时具备了较强的直流故障箝位能力和低投资、低损耗的优点。重点研究具备直流故障穿越能力的混合MMC的可靠性分析和冗余配置方法,首先研究同时满足支撑直流电压和直流故障穿越能力的混合MMC中两类不同拓扑子模块的初始临界数目比例,进而同时考虑半导体器件的有效利用率及MMC的可靠性,通过计算三维曲面的一阶差分,提出两种子模块的最优冗余配置方案,最终得到具备直流故障穿越能力的混合MMC中子模块的最优配置方案。以实际工程参数为基准,分别计算两种混合MMC的最优子模块冗余配置方案,与采用单一可切断直流故障电流子模块拓扑的MMC相比,在满足可靠性需求的前提下,混合MMC所需器件数目明显降低。     

异构型换流器的多任务剖面可靠性分析方法

现有关于模块化多电平换流器(MMC)可靠性分析的研究大多针对子模块结构独立的换流器,对于多种低成本、多模态的异构拓扑,尚缺乏有效的可靠性分析方法,因此针对异构型换流器的可靠性分析对扩展其应用边界有重要的意义。总结了异构型MMC的特征,以桥臂嵌套型MMC为例,提出了一种考虑桥臂切换导致的多任务剖面与工作故障延续性且适用于异构型MMC的可靠性建模方法。通过分析换流器的不同运行状态,建立了马尔可夫模型,并分析了其冗余配置方案。基于仿真算例计算了桥臂嵌套型MMC的可靠性,分析了子模块冗余配置对其可靠性的影响,并与传统模型进行对比,验证了所提方法可为多开关状态的异构型MMC的可靠性分析及冗余配置提供策略参考。     

模块化多电平换流器的子模块冗余配置计算方法

模块化多电平换流器(MMC)的子模块(SM)冗余配置问题是MMC工程应用急需解决的难点之一。文中对MMC及其SM结构进行了阐述,分析了SM和MMC的可靠性,提出了一种有效的MMC的SM冗余配置计算方法,并提供了SM的2个工程冗余参考值。当MMC的SM冗余配置数量在这2个冗余参考值之间时,冗余SM的增加能够使MMC的可靠性更快增加,在此基础上定义了冗余和可靠性指标,用其可以衡量不同MMC的冗余SM的可靠性效率。最后,通过工程实例计算证明了所提出的MMC的SM冗余配置计算方法和所定义指标的合理性和有效性。     

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模块冗余优化配置方法

针对模块化多电平换流器(MMC)提出一种模块冗余优化配置方法,该方法主要是从提高系统可靠性和冗余子模块有效利用率以及减少冗余子模块数量这3个目标出发,建立多目标优化函数,进而求解得到最优冗余子模块数量。分析了MMC的拓扑结构及其子模块的工作原理,在研究模块冗余保护方案的基础上,详细给出模块冗余优化配置方法的具体步骤,并将其应用到工程实际中进行分析。仿真结果表明该方法可简单、有效地配置冗余子模块数量,在保证系统可靠运行的情况下,节约成本,验证了该方法的有效性和可行性。     

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。     

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。     

基于混合式MMC的混合高压直流输电系统启动策略

针对与有源系统相联的混合直流输电系统,以全桥子模块和半桥子模块混合的模块化多电平换流器(MMC)为例,详细分析了其预充电启动过程,给出了每个阶段直流电压的一般数学表达式,从数学上证明了其与半桥子模块或全桥子模块构成的MMC的内在联系。分析了基于全桥子模块和半桥子模块混合的MMC在不同混合比例下其预充电过程中可能存在的过压或欠压问题,提出了5种解决措施。同时就混合直流输电系统运用于向无源系统供电和作为"黑启动"电源的应用场合,分析了其预充电启动过程,并提出了具体实现方法。最后通过PSCAD/EMTDC对相关分析进行了仿真验证。     

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。     

全桥模块化多电平换流器故障容错控制

为提高全桥模块化多电平换流器（F MMC）的可靠性和效率,分析了换流器全桥子模块在IGBT短路和开路时的故障特征,提出了以子模块电容电压下降和子模块输出电压与期望输出电压之间的差异作为故障判据,并结合子模块的投切状态来判断具体故障IGBT位置,然后根据IGBT的故障位置将故障全桥子模块切除或转化为半桥子模块运行的方式来实现全桥MMC的容错控制,同时给出了适用于全桥MMC容错控制的最近电平逼近调制方法。通过仿真分析验证了所提出的容错控制策略的有效性。     

一种改进的模块化多电平换流器电压均衡控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)以其优越的整体性能在大规模电网互联等领域具有广泛的应用前景。文章首先分析了MMC系统的工作原理,并结合一种冗余配置方法来确定MMC桥臂级联子模块的最优数量。基于最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)算法,提出一种冗余子模块优先充电的MMC电容电压均衡控制策略,确保冗余子模块电压水平能够保持最低允许值,从而实现与故障子模块的平稳切换。最后,基于PSCAD/EM TDC平台搭建M M C仿真系统,验证了文章提出的改进的电容电压均衡控制策略的有效性。     

基于单箝位型子模块的MMC及拓扑改进方案

半桥型模块化多电平换流器(HBMMC)无法通过闭锁来迅速切断直流故障电流,严重制约了其在远距离输电场合的应用。在不影响控制策略、调制策略和均压策略的基础上,提出一种单箝位型子模块(SCSM)拓扑结构,介绍基于单箝位型子模块MMC(SCMMC)的拓扑结构及特点,分析SCMMC柔性直流输电系统的直流故障穿越机理。针对SCMMC器件用量和运行损耗仍然偏大的问题,提出采用SCSM和双箝位型子模块(CDSM)级联的混合MMC、SCSM和半桥子模块(HBSM)级联的混合MMC 2种拓扑改进方案。仿真验证及对比分析表明,可以灵活配置SCSM,使其与多种子模块进行混合级联,在充分发挥不同子模块结构优点的基础上,可以根据工程造价和控制保护性能灵活配置不同子模块结构和数量。     

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。     

混合型模块化多电平换流器启动冲击电流特性分析及控制策略

启动控制是模块化多电平换流器(MMC)正常运行的基础。半桥型和全桥型子模块构成的混合型MMC,在预充电阶段存在电容欠电压且电压不均衡现象,导致换流阀受控充电解锁后出现桥臂过调制和冲击电流。该文首先针对混合型MMC的拓扑结构,分析半桥型和全桥型子模块预充电电压特性及其等效电路,提出两类模块电容电压计算方法。利用全桥型子模块负电平输出特性,提出一种交流侧受控充电启动策略,能够在电容欠电压条件下避免换流器过调制从而抑制冲击电流。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了换流阀启动特性的正确性和所提出的启动控制策略的有效性。     

一种改进的模块化多电平换流器电压平衡方法

基于排序的子模块电容电压均压方法是目前应用于大容量模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型高压直流输电系统的主流均压方式,存在排序运算量大、开关频率高等缺陷,带来较大的硬件投入,降低MMC运行可靠性。针对上述问题,引入时间复杂度更低的基数排序,结合MMC运行特点,去除冗余关键字,降低时间复杂度,在此基础上,根据控制器所需投入子模块数m,优化子模块全排序为寻求m个子模块,去除冗余运算,同时提出重排序判据,使MMC控制器选择性地排序,减少排序频度,增大原有触发脉冲维持时间,降低开关频率。最后,在MATLAB/SIMULINK搭建21电平MMC模型,仿真结果表明,改进基数MMC均压算法能在较好维持电容电压平衡的同时,大幅减少运算量,降低开关频率,验证了改进均压方法的可行性与有效性。     

混合式MMC及其直流故障穿越策略优化

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于大容量架空线输电系统是柔性直流输电技术的研究热点,直流故障的处理是研究的难点。针对一种整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC)、逆变侧采用混合式模块化多电平换流器的混合直流输电系统,重点研究混合式MMC的优化设计、过调制及直流故障穿越问题。推导在满足低直流电压过调制运行、直流故障穿越和子模块电容电压平衡条件下其全桥子模块(full bridge sub-module,FBSM)和半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)的数目配置要求。并提出混合式MMC直流故障穿越的优化控制策略,可以更好地平衡子模块电容电压,且在直流故障期间仍可保持对交流系统的无功功率补偿。最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立该混合直流输电系统模型,对直流故障穿越和过调制运行进行仿真研究,结果证明优化策略的有效性。     

全半桥混合MMC启动特性研究及实验验证

目前,对模块化多电平换流器(MMC)的启动特性研究主要集中在半桥MMC的启动方法的研究与分析,未对全半桥混合型MMC启动过程进行过多分析.从全半桥混合型MMC的基本结构及交流侧不控充电的原理出发,详细分析了换流器启动过程中直流侧的电压及功率模块电压.提出了一种全半桥混合MMC启动方法.在PSCAD/EMTDC中搭建了全半桥混合型MMC充电仿真模型,对全半桥混合型MMC的充电过程进行仿真研究,仿真研究结果在±10 kV混合型换流阀样机实验中得到了验证.     

一种能够阻断直流故障电流的新型子模块拓扑及混合型模块化多电平换流器

针对常规半桥型模块化多电平换流器无法隔离直流故障电流的问题,提出一种新型的应用于模块化多电平换流器的自阻型子模块拓扑,并列出自阻型子模块的4种结构。这4种类型的自阻型子模块在隔离直流故障电流时,需要同时闭锁IGBT的触发脉冲。为了降低触发同时性的要求,进一步提出无需同时闭锁IGBT触发脉冲的2种增强自阻型子模块拓扑。模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)的全部子模块采用增强型子模块时所使用的电力电子器件较多,为了进一步减少MMC中电力电子器件的数量,提出一种由增强型子模块和常规半桥子模块构成的混合型MMC。PSCAD/EMTDC下的仿真研究表明,所提出的自阻型子模块、增强型子模块及混合型换流器能有效隔离直流故障。相比于常规半桥型MMC,该混合型MMC仅需提高25%的IGBT即可具备隔离直流故障电流的功能,因此具有良好的工业应用价值。     

模块化多电平换流器快速电磁暂态仿真模型

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电磁暂态仿真耗时过长的问题,提出了2种MMC快速仿真模型。通过分析MMC子模块原理,提出将MMC桥臂等效为自定义数值计算模块与受控电压源组合的数值计算详细模型;并在该模型的基础上设计了一种将独立子模块电磁暂态模型和一般子模块数值计算模型结合的混合模型仿真方法,弥补了数值计算模型难以模拟子模块电磁暂态过程的缺陷。为了进一步提高模型的仿真速度,通过简化MMC的电压均衡控制及子模块状态的差异性,建立了数值计算平均值模型。在PSCAD/EMTDC上搭建MMC-HVDC模型,对所提出的快速仿真模型及仿真方法的有效性进行了验证。