模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析

为了分析模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块电容电压波动和内部环流的基本成分,以开关函数为出发点,对电容电压波动和环流进行了数学分析。分析结果表明:基频波动和2倍频波动是电容电压波动的基本成分,并得出其解析表达式;内部环流仅包含偶次谐波成分,且以2次谐波环流为主,并给出其幅值的解析表达式。针对环流对MMC运行的影响,分析了MMC交流侧相电压中的谐波成分,结果表明环流导致MMC输出相电压中的奇次谐波含量增大,尤以3次谐波最为明显,且给出了3次谐波幅值的计算表达式。仿真结果表明上述理论分析是准确的,为子模块电容值和桥臂电感的选取提供了理论基础。     

特定次谐波注入抑制模块化多电平换流器电容电压波动

模块化多电平换流器（MMC）电容电压波动抑制有助于降低电容器体积/重量,降低换流阀设备投入成本。推导了换流阀子模块电容电压波动分量及影响因素,分析了二倍频环流注入、三次谐波注入对子模块电容电压波动及换流阀的影响,提出的特定次谐波注入方法,可显著降低换流阀子模块电容电压波动,且桥臂电流峰值和有效值控制在允许范围内。以张北柔直工程参数为例,通过PSCAD仿真比较了环流抑制为零、二倍频环流注入、特定次谐波注入情况下的电容电压波动、桥臂电流有效值和桥臂电流峰值,验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于电容电压波动的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

针对模块化多电平换流器(MMC)的子模块电容电压均衡问题,为了在较低的开关频率下抑制电容电压波动,提出了一种标记排序电容电压均衡策略。标记排序均衡策略能够根据设定的电容电压波动率边界与每个子模块的投切状态和电容电压,将同一桥臂内的子模块标记为两种类型,分别进行排序与投切控制。其中电容电压波动率边界可以根据系统运行的不同条件进行调整。提出了用于评价电容电压均衡控制策略性能的两个通用性指标,分别为器件平均开关频率和桥臂的电容电压波动率。在PSCAD/EMTDC中搭建了一个21电平MMC的测试系统,将标记排序均衡策略的控制性能和已有的两种电容电压均衡策略进行了仿真对比,并计算了不同均衡策略下MMC的损耗分布。仿真结果证明了标记排序均衡策略的有效性。最后,对电容电压波动率边界取不同值时的情况进行了仿真测试,给出了电容电压波动率边界的选取建议。     

模块化多电平换流器电容用量的标幺化分析与设计方法

子模块电容用量是影响模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)体积和成本的关键因素。提出了以单位容量额定储能值作为MMC电容用量的统一的衡量与直接设计指标,建立了直接描述MMC所需额定储能值与电容电压波动率之间关系的标幺化计算模型,使不同额定参数MMC的电容用量的衡量、计算和分析可以得到统一和简化。与以子模块电容值作为分析和设计指标的传统方法相比,MMC额定储能值标幺化计算模型去除了多种参数对计算过程的影响,揭示了基准调制比和输出功率范围是影响MMC额定储能值的关键因素。基于所提出的额定储能值标幺化计算模型,对MMC额定储能设计值随基准调制比和功率输出范围的变化规律进行了详细分析,为MMC电容用量的设计和优化提供了明确的依据。数字仿真和物理试验结果验证了所提方法的正确性。     

模块化多电平换流器子模块电容电压平衡改进控制方法

为减少子模块开关动作次数和换流器损耗,提出了一种模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的子模块电容电压平衡改进控制方法。采用最近电平调制方式,每个控制周期内按电容电压大小对处于投入状态和切出状态的2组子模块分别进行排序;根据需要投入的子模块数量和当前处于投入状态的子模块数量,对投入和切出的子模块状态进行改变;根据设定的电容电压允许偏差值、可进行调换的子模块数量,对投入和切出的子模块进行对调。仿真算例结果验证了所提方法的有效性。     

抑制模块化多电平变流器谐振的子模块电容参数设计方法

子模块作为模块化多电平变流器的重要组成部分,其电容参数的准确设计对于变流器安全稳定运行起到了极为关键的作用。该文根据模块化多电平变流器稳态工作条件下系统内部电气变量的约束关系,详细推导了桥臂电流与系统传输能量、系统运行状态之间的关系,通过桥臂电流进一步得出了流过子模块电容的电流表达式。考虑子模块电容最高工作电压限制及避免系统谐振,给出了电容容值、最高运行电压这两个重要参数的设计原则与计算方法。基于MATLAB/Simulink的仿真结果证明了所提设计方法的合理性与可行性。     

模块化多电平换流器子模块故障时中性点移位容错控制策略

模块化多电平换流器(MMC)发生子模块故障后,由于桥臂子模块数目的改变,将使故障相的相电压输出能力发生改变,导致三相输出不对称。针对MMC子模块故障下容错控制问题,以保证子模块故障后线电压平衡为控制目标,提出了一种MMC中性点移位控制(NPSC)容错控制策略。其通过修正故障后各相调制波控制中性点在故障相的相电压矢量方向上进行移位,在完成子模块故障容错运行的同时简化了传统中心点偏移控制算法的复杂程度,易于实现。同时,文中分析了NPSC下对MMC系统运行的影响,指出了该种控制方式下桥臂电流工频分量与直流分量的分配特性。最后,通过仿真与实验进行验证,表明了理论分析与该容错控制策略的有效性。     

采用电抗子模块分段投切的模块化多电平换流器降电容方法

模块化多电平换流器(MMC)子模块电容的电容电压波动使得电容值难以降低,阻碍了MMC换流阀轻型化的发展。在考虑了2次和4次相间环流的基础上,分析了子模块电容电压与桥臂电流相互影响的机理。为了降低子模块电容电压的波动水平,提出了一种以子模块形式分段投切桥臂电抗器的降容方法。分析了子模块电容电压波动的产生机理,分析了电抗子模块分段投切降容方法的原理,并设计了相应的控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)模型,验证了所提降容策略的有效性,并与现有的环流抑制策略进行了对比分析。     

MMC子模块电容电压波动抑制

为了解决模块化多电平换流器在运行时,子模块电容电压波动较大会导致输出发生畸变,甚至影响系统稳定的问题,通过对桥臂进行能量分析,发现子模块电压电容波动中主要包含基频波动和二倍频波动,其中基频波动占主要成分,为了降低子模块电容电压波动,提出一种基于二倍频环流注入结合高频环流和高频输出电压注入降低子模块电容电压基频波动的方法,该方法首先通过注入二倍频环流减小桥臂能量中的基频功率,然后利用注入的高频环流和高频输出电压共同作用进一步减小桥臂基频功率,从而达到降低子模块电容电压基频波动的目的.最后通过搭建仿真电路,对比了未进行波动抑制、仅注入二倍频环流、注入二倍频环流结合注入高频环流和高频输出电压三种情况下的电容电压波动,并进行了有关谐波分析,验证了该方法的有效性.     

模块化多电平变流器子模块电容的设计方法

研究模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)中桥臂的功率特性,并求得桥臂的瞬时功率解析表达式和MMC稳态运行时流过桥臂电流的直流分量。通过研究桥臂的等效充放电电路,求出充放电电流的解析表达式,并据此导出电容电压波动分量的解析表达式。根据电容电压波动分量的表达式,画出电容电压波动分量的幅值与调制比和功率因数角的关系曲线,并分析波动分量的来源及特性,求取波动分量的幅值与调制比和功率因数角的解析表达式,进而提出电容大小的设计方法。通过算例验证了电容电压波动分量的表达式和电容设计方法的正确性。     

基于桥臂二倍频电流分量重构的MMC降容控制方法

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）已显示出很好的工程应用前景。降低MMC子模块电容电压波动对实现换流器的轻型化具有非常大的工程意义。通过对国内外降低MMC子模块电容电压波动的各种控制方法进行归纳总结,可知各种通过控制方案降容的方法的实质为在桥臂上注入谐波电压和电流。在此基础上,提出一种桥臂二倍频电流量重构的方法,并在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建程序进行验证,仿真结果表明所提方法可有效降低子模块电容电压纹波幅值。进一步进行了低电容容值仿真验证,其在保持子模块电容电压纹波幅值不变的情况下,可有效降低子模块电容容值30%以上。另外,进行了MMC换流阀损耗分析,结果表明低电容容值工况下的换流阀损耗不大于对照工况下换流阀损耗。     

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。     

应用于风力发电的MMC子模块新型电容降容控制

模块化多电平换流器(MMC)因其多方面优势适用于中压及更高电压等级的风力发电,但由于风电机组的低频大电流工况,机侧MMC子模块电容电压波动大,需要大的直流滤波电容。提出一种在负序二倍频环流控制器中注入环流来抑制子模块电容电压波动的策略,指出了所注入的环流的初相角的选择依据,并给出了基于该方法的子模块电容容值选取依据。针对该策略带来的环流二倍频分量增加的问题,提出了一组表征子模块电容电压抑制效果相对于环流增加量的折中系数,指出需根据系统要求来选择不同的折中系数作为评价标准,以达到所需求的总体性能。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略

模块化多电平换流器(MMC)因具备模块化、调度灵活等优势得到广泛应用.然而,逆变工况下,MMC子模块上下管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的损耗分布不一致,导致子模块内各器件的寿命差异大,而系统可靠性取决于寿命最低的器件,因此,子模块器件的可靠性将严重威胁到换流器的安全可靠运行.为此,文中提出了一种MMC子模块IGBT损...     

不平衡电网电压下的MMC子模块电压波动抑制方法

为降低模块化多电平换流器(MMC)对子模块电容的需求,有必要抑制子模块的电容电压波动。电网三相电压不平衡情况发生时,会加剧MMC中子模块的电容电压波动。首先分析了电网电压不平衡时MMC子模块电容电压的波动特性,进一步分析了三次谐波注入对子模块电压波动的影响;重新设计了三次谐波电压注入的幅值和相角,使其能在不平衡工况下有效实现降低电压波动的目标;设计了相应的波动抑制策略;最后,在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真,验证了所提注入方案的有效性。     

模块化多电平换流器子模块平均开关频率的精确控制方法

在现有的基于电容电压排序的优化均压算法基础上,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)的精确控制子模块开关频率的方法。通过引入双保持因子,避免绝缘栅双极型晶体管(IGBT)不必要的反复投切现象,从而在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,有效地降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗;在此基础上,设计了精确控制子模块开关频率的比例—积分(PI)控制器,能够在降低开关频率的同时精确地控制其大小,保证系统稳定运行和换流器的运行效率;最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端101电平MMC仿真模型,对所提出的方法进行了验证,仿真结果表明该方法可以在保证系统稳定运行的前提下,精确地控制子模块的开关频率,证明了所提出方法的正确性和有效性。     

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。