模块化多电平DC-DC变换器研究综述

模块化多电平结构相比常规箝位型多电平和级联型多电平结构,具有更好的模块化设计、高压应用、多电平输出等性能。基于模块化多电平结构的DC-DC变换器特别适合中高压大容量直流输配电及新型直流负载供电。首先介绍了模块化多电平结构的组成及特点;其次对现有模块化多电平DC-DC变换器的主要拓扑结构及相应的调制控制方法进行了详细的总结梳理,并分析了变换器的故障隔离保护机制;最后对模块化多电平DC-DC变换器的研究难点及前景进行了展望。已有的研究表明,模块化多电平DC-DC变换器以其优越的电能变换性能,在价值需求的牵引下必然引领新的直流输配电技术的革新高潮。     

模块化多电平变换器拓扑的通用控制方法

针对现有模块化多电平变换器(MMC)拓扑结构繁多、控制策略通用性差的问题,此处提出了一种MMC拓扑的通用控制方法.首先针对MMC的典型拓扑结构进行了拓扑分析并分类,典型拓扑包括MMC、模块化多电平矩阵变换器(MMMC)和六角形模块化多电平AC/AC换流器(Hexverter).然后通过基于状态空间表示的电流控制和支路能...     

基于新型模块化多电平变换器的五电平PWM整流器

模块化多电平变换器以其结构模块化、不需要变压器以及易于扩展到高电平等优点,成为近年来研究的热点。本文针对一种新型的模块化多电平变换器拓扑研究了其悬浮电容电压波动规律。首先从半桥臂的输出功率入手,分析了其功率脉动和一个周期内的能量变化,给出了电容电压波动幅值表达式。针对电容电压在低频下波动较大的问题,提出了一种电容电压波动抑制方法。采用叠加高频零序电压和相间环流的方式重构桥臂电压和电流,通过提高半桥臂输出功率的波动频率来减小悬浮电容的能量波动幅值,进而减小电容电压波动幅值。设计了一台三相五电平的实验样机并对上述控制方法进行了实验验证。     

新型模块化多电平变换器的PWM控制

新型模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)通过子模块电压叠加输出高电压,输出电压谐波含量少,且无需额外的滤波器和变压器,十分适用于轻型直流输电系统中.由于MMC各桥臂级联多个子模块,各子模块中通过对直流储能电容器的双向PWM斩波输出需要的电压,这就需要对各子模块电容电压进行...     

混合背靠背模块化多电平变换器设计

近年来模块化多电平变换器在直流输电和电机驱动领域引起了广泛的关注。然而在电机驱动领域,输出低频时电容电压波动大的问题限制了其应用。提出了一种混合背靠背MMC拓扑,整流侧MMC采用全桥子模块和半桥子模块混合的结构,逆变侧MMC全部采用半桥子模块。分析了采用变直流母线电压的方法时电容电压的波动规律,并给出了系统的控制策略。电机在很大的转速范围内,电容电压波动基本恒定。最后,通过仿真验证了该拓扑结构及其控制策略的有效性。     

模块化多电平变换器改进型环流抑制方法

这里首先分析了载波移相脉宽调制(CPS-PWM)策略下广泛应用于模块化多电平变换器(MMC)的平均电容电压控制模型及其优缺点,在此基础上提出了一种改进型环流抑制方案,新方案采用了原模型中的外环桥臂电压均衡控制,并同时在内环环流控制中加入了环流的直流分量提取环节以及基于准比例谐振的二倍频谐波分量消除环节。针对所提出的改进抑制方案并综合考虑稳定裕度和稳态精度等条件,给出了离散域下控制器关键参数设计方法。最后,在搭建的三相MMC样机上分别对改进前后的控制方案进行了对比实验,充分验证了所提方案的有效性以及参数设计的合理性。     

新型模块化多电平变换器电容电压波动规律及抑制方法

模块化多电平变换器以其结构模块化、不需要变压器以及易于扩展到高电平等优点,成为近年来研究的热点.本文针对一种新型的模块化多电平变换器拓扑研究了其悬浮电容电压波动规律.首先从半桥臂的输出功率入手,分析了其功率脉动和一个周期内的能量变化,给出了电容电压波动幅值表达式.针对电容电压在低频下波动较大的问题,提出了一种电容电压波...     

阶调式模块化多电平变换器的研究及应用

随着模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)桥臂中串联的子模块个数增多,硬件成本升高,制约了其在光伏并网发电系统的发展。针对这一问题,通过分析阶调式多电平逆变器的工作原理和控制策略,提出了阶调式模块化多电平变换器(Gradationally Controlled Modular Multilevel Converter, GC-MMC),并将其应用于光伏并网发电系统中。此外,为了解决电容电压平衡控制问题,提出了一种适用于GC-MMC的电容电压平衡控制算法。最后在Matlab/Simulink环境下搭建了基于GC-MMC的光伏并网发电仿真系统,并分别与基于VSC和MMC的光伏并网发电系统进行比较。仿真结果表明,在相同条件下,GC-MMC输出电平数比MMC更多,并且基于GC-MMC的光伏并网发电系统无需滤波环节,有效降低了系统硬件成本。     

新型模块化多电平换流器的设计与应用

随着电力系统电压等级的不断升高,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)桥臂中串联的子模块数量增多,硬件成本升高,制约了其在直流输电系统中的发展.针对这些问题,通过分析多电平换流器和现有的阶调式模块化多电平变换器(Gradationally Controlled Modul...     

基于FPGA的模块化多电平变换器控制策略研究

模块化多电平变换器(MMC)是一种新型的拓扑结构,其主要应用在中高压领域.在分析MMC拓扑结构及其工作原理的基础上,以5电平为例,采用基于参考电压分解的电压空间矢量(SVPWM)调制策略,合理选择冗余开关状态,降低了1/3的开关频率.通过动态选择投入桥臂的子模块,实现了直流侧电容电压的平衡控制.并针对FPGA难以实现三角函数运算的特点,提出了一种新的方法进行扇区选择.最后分别在Matlab/Simulink和Xilinx XC3S400型号FPGA中进行了仿真和实验验证,理论分析与实验结果均说明了该控制策略的优越性.     

模块化多电平换流器直流输电稳态仿真分析

电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC）是基于电压源换流器技术的新一代直流输电技术。该文介绍了模块化多电平电压源换流器的拓扑结构和工作原理。针对模块化多电平换流器（MMC）的电容电压平衡问题,提出了一种有效的电容电压平衡控制策略,保证个子模块电容电压处于相同的范围之内;并针对MMC-HVDC系统,采用载波移相调制策...     

适用于模块化多电平变换器的改进调制策略研究

在介绍模块化多电平变换器基本运行特性的基础上,分析了传统的最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation,NLM)策略,针对传统的NLM调制提出一种优化改进策略,该策略能够将变换器的输出电平数由N+1提高至2N+1,有效降低变换器输出电压的谐波含量,提高变换器输出性能。同时,所提调制策略还能够降低子模块电容电压的波动,有利于延长电容器的使用寿命。最后,在PSCAD/EMTDC软件平台上建立了系统的详细仿真模型,验证了所提策略的有效性。     

基于单星MMC的新型STATCOM及其控制策略

通过分析基于级联半桥子模块双星形结构的模块化多电平变换器(MMC)拓扑,提出了一种基于单星形MMC的静止同步补偿器(STATCOM)拓扑结构,并与级联H桥STATCOM等拓扑进行了比较。该拓扑只采用双星MMC的一半,比级联H桥星形STATCOM节省13.4%的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。采用电流直接控制策略,给出了单星MMC-STATCOM的电容电压多层次控制方案及一种相间电容电压平衡控制改进方案,该方案不需要对零序电压注入量进行复杂计算。此外,还搭建了10kVA实验样机。仿真和实验结果表明,所提的单星MMC-STATCOM具有优良的动静态特性,验证了所提控制方案的可行性和有效性。     

模块化多电平矩阵变换器低频控制方法

模块化多电平矩阵变换器(MMMC)在低频甚至零频率运行时,低频纹波电压与输出频率成反比,导致模块电容电压波动过大而影响MMMC安全运行。为解决该问题,提出一种MMMC低频控制方法。该方法外环采用层次化电容电压平衡控制,并基于能量交换规律将输出二倍频纹波电压当做有用成分,与电容电压直流分量共同参与平衡控制,最后,通过复合控制器实现MMMC相间平衡和低频纹波抑制的双重控制;内环采用各桥臂电流独立控制,避免了复杂的解耦变换和内部环流产生。该方法适用于输出零频率的特例工况。通过半实物实验验证了所提控制方案的可行性、有效性以及优良的动静态特性。     

2基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器拓扑及其优化设计

普通模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑中,因子模块数量较多,系统需采集和处理的信息量大,导致控制系统硬件构成复杂.提出一种基于循环嵌套机理的MMC拓扑,其电平输出能力得到显著提升.通过上下两组子模块的协调投切,相对于普通MMC拓扑,新型拓扑输出相同电平数所需的子模块及控制设备数量大幅减少.阐述该新型拓扑的构成方式及基本参数选取原则;针对循环嵌套结构,设计相应的模块协调控制策略;分别以模块用量最小化和换流器运行损耗最小化为目标,优化设计拓扑构成方案.在RTDS中搭建换流器模型,仿真结果表明,新型拓扑具备更强的电平输出能力,并达到大幅减少子模块数量、简化控制系统硬件构成的目标.     

模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析

新型模块化多电平换流器(MMC)在直流输电和电能变换领域得到了广泛的研究与应用。但是,由于子模块采用了半桥型拓扑,在直流侧线路故障时,MMC不具有直流故障自清除能力。文中在不改变现有MMC调制和均压策略的前提下,利用续流二极管反向阻断特性和桥臂模块电容充电效应,设计了改进复合拓扑结构,解决了半桥拓扑中电容单向充电问题。通过分析闭锁时储能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系,定义了反映子模块故障抑制能力的电流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同,设计了自励启动方法。仿真结果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。     

模块化多电平变换器全电平产生原理及电容均压策略

模块化多电平变换器每个桥臂有N个模块,根据调制方法的不同,输出可以产生N+1电平(基本电平)和2 N+1电平(全电平),文中研究了这两种输出的工作机理,以及对桥臂电感的影响,研究了电平产生、环流及电容电压控制之间的关系。在此基础上,针对载波重叠脉宽调制(PWM)策略,提出了一种基于PWM信号轮换的模块电容均压策略,该策略可以根据需要调整策略的执行时间,以减少因均压带来的开关状态变化。通过一个560V直流输入的实验和仿真平台验证了所提出均压策略的有效性。     

混合MMC电容电压波动差异机理及抑制策略

降低模块化多电平换流器(MMC)中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对子模块电容器容值、体积、成本的需求,具有重要的研究价值。文中首先分析了混合MMC过调制下半桥子模块与全桥子模块的电容电压波动特性以及两种子模块间的波动差异产生机理,确定波动差异对应的能量积累区间。然后分类讨论三次谐波电压注入后桥臂参考电压的极值点分布和过零点分布,建立三次谐波电压注入系数、调制比与波动差异抑制能力的关系。在此基础上,以减少半桥子模块与全桥子模块电容能量积累差异为目标,对三次谐波电压注入量进行优化设计,提出了基于三次谐波注入优化的子模块电容电压波动差异抑制策略,并给出电容容值降低的计算示例。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端混合MMC模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

模块化多电平换流器的载波层叠脉宽调制策略分析与改进

采用载波层叠脉宽调制(PWM)策略时,模块化多电平换流器(MMC)的各子模块投入时间和开关频率差异大,导致各子模块直流侧电容电压出现严重不均衡以及开关管损耗和发热情况不一致,致使系统无法正常运行。文中在研究载波层叠PWM策略原理及其在MMC中应用问题的基础上,对其实现过程进行了改进,将多列载波按一定周期进行轮换以控制MMC各子模块。仿真结果表明,采用载波轮换层叠PWM策略后,各子模块平均投入时间以及开关管开关频率可达到一致,子模块电容电压即使没有采取专门闭环控制也可以实现平衡,从而系统整体控制算法得以简化。