一种隔离型多端口直流-直流模块化多电平变换器*

模块化多电平变换器(MMC)已广泛用于高压直流输电,能将单个低压直流电网连接到高压直流电网。当需要将两个或多个电压等级不同的直流电网连接到同一个高压直流电网时,传统的解决方案是使用多绕组变压器或多个变换器。基于此,提出了一种隔离型多端口直流-直流模块化多电平变换器,可同时连接3个直流电网。针对所提变换器,分析了其工作原理和控制方法,并通过试验验证了所提拓扑的可行性与理论分析的正确性。     

非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制

用于中高压直流电压转换和直流电网互联的高压大功率直流变压器一般采用中间交流变压器,存在损耗高和体积大等不足。对一种非隔离型的模块化多电平DC/DC变换器进行了研究,与普通双有源桥式DC/DC变换器相比,避免了交流变压器的存在。首先分析了此变换器的工作原理,建立了变换器的等效数学模型。考虑子模块电容电压存在特殊的不平衡,变换器需要引入交流循环电流,提出了一种保证桥臂功率均衡的最小化桥臂环流的控制策略,减小了桥臂电流的交流分量,降低了变换器的损耗。在Matlab/Simulink中仿真验证了变换器的性能和最小环流控制策略的有效性。最后搭建实验平台进行了实验验证。     

基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法

基于模块化多电平变换器（modular multilevel converter, MMC）的DC/DC变换器因其模块化结构,容易实现低中高压之间的电压转换而广泛应用于直流配电网。该文研究了一种基于模块化多电平变换器的电隔离双向DC/DC变换器,根据DAB变换器的典型两电平电压波形,提出了一种基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法,可以在离散水平上产生适应的电压增益,并对MMC桥臂子模块电压平衡关系和能量平衡关系进行了理论分析,最后通过仿真方法验证了所提出的基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法的性能要优于经典能量平衡策略。     

具备闭锁和非闭锁模式抑制直流故障电流的新型模块化多电平变换器拓扑

现有直流线路短路故障电流抑制方法存在抑制速率与经济性的矛盾。该文提出了可在闭锁和非闭锁两种模式下低成本实现直流故障电流快速抑制的模块化多电平变换器（MMC）子模块拓扑,即五电平钳位交叉子模块（FLCCSM）结构;分析了闭锁和非闭锁抑制模式下的直流故障穿越过程;解析了在两种抑制模式下满足故障穿越条件的子模块电容投入到故障回路的配置数量;提出了电容成组投切的均衡控制策略以提升其均压效果。Matlab/Simulink仿真结果表明,FLCCSM-MMC在闭锁模式下能将直流故障电流快速抑制到零,主要用于处置直流永久性故障。在非闭锁模式下能将桥臂电流快速抑制到小于2倍桥臂电流额定值,非闭锁模式下MMC仍具有输送一定功率的能力,适用于处置直流瞬时性故障,且故障前后电容电压保持均衡。FLCCSM-MMC具有故障电流抑制速度快、可靠性高、器件成本低、运行损耗小的优势。     

一种具有直流故障闭锁能力的新型子模块

对于传统基于半桥子模块(HBSM)的模块化多电平变换器(MMC)而言,由于HBSM结构不具有直流故障闭锁能力,因此,当MMC直流侧发生短路故障时,过大的电流将会损坏器件。为了解决该问题,提出一种改进型半桥子模块结构,该结构在正常运行时,工作原理与HBSM结构类似;而当直流侧发生短路故障时,通过闭锁该结构内的全部IGBT,能够实现故障电流的闭锁,并搭建仿真模型以及实验平台。实验结果表明,所述子模块结构能够良好地实现直流故障闭锁。     

应用于模块化多电平直流变换器的阶梯波调制策略

在直流配电网中,模块化多电平直流变换器MDCC(modular multilevel DC/DC converter)以模块化多电平变换器结构为基础,是实现不同电压等级直流母线电压变换和电能双向传输的核心装置。探讨MDCC的高频链阶梯波调制策略,并采用傅里叶级数建模,可有效简化阶梯波建模和分析过程。此外,阶梯波调制可有效减小高频链电压dv/dt、谐波和无功含量,提升MDCC整体效率,促进MDCC在直流配电网中的应用。     

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...     

模块化多电平换流器型高压直流变压器的直流故障特性研究

下一代高压直流电网技术成为未来电网发展的重要方向,高压直流变压器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备,也是制约直流电网推广的技术瓶颈之一。然而有关模块化多电平换流器型高压直流变压器(modular multilevel converter based HVDC transformer,M-HVDCT)拓扑的故障响应特性和故障穿越能力的研究尚未见诸报道。在搭建PSCAD/EMTDC仿真模型的基础上,首先分析了M-HVDCT的直流侧线路双极短路、单极接地短路故障机理,分析了系统的故障输出特性。结果表明,双极短路时的子模块电容放电是造成瞬态电流冲击的主因,而变压器耦合的阀侧馈能则是稳态故障电流的原因;M-HVDCT对双极短路故障具有故障隔离能力,而单极接地短路故障则会因为变压器的耦合作用而传到非故障侧,从而给系统带来负面影响。仿真实验结果验证了理论分析的正确性,研究结果将为直流电网技术的工程化研究提供重要的理论和工程应用基础。     

一种具有直流故障限流能力的模块化多电平换流器

为解决传统半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法限制直流故障电流的问题,提出一种改进型子模块的MMC拓扑。与传统半桥型子模块拓扑不同,交流输出端口增加了阻断IGBT及其旁路吸收回路。本文首先分析改进型子模块的工作原理,在此基础上开展基于该子模块的MMC的故障限流机理及其主要功率开关器件的电气应力的研究,并通过仿真算例对所提出的拓扑进行了验证。仿真结果表明基于改进型子模块的MMC拓扑在原有正常模式下不需要改变控制策略与调制策略,而在故障阶段能够迅速实现故障电流阻断效果,通过引入旁路吸收回路,进一步降低了对电路触发脉冲一致性的要求,因此在未来高压直流输电系统领域具有良好的工程应用前景。     

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。     

模块化多电平换流器直流双极短路故障耐受能力研究

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在直流侧发生双极短路的故障情况,建立了MMC闭锁后的故障电流回路,给出了二极管以及保护晶闸管的电流分配和结温理论计算方法,考核直流双极短路故障耐受能力。在MATLAB/Sinulink下进行了换流阀闭锁后故障电流回路的建模与仿真,并在MMC背靠背试验系统中进行了试验研究。仿真和试验结果表明,所提分析和计算方法准确可行,该方法对校核模块化多电平换流器在实际工程中的直流双极短路故障耐受能力以及器件选型具有重要的理论指导意义。     

模块化多电平变换器三相电网电压不平衡控制策略研究

模块化多电平变换器（MMC）广泛应用于高压直流输电系统中,三相电网电压不平衡时,MMC输出电流谐波含量较高,因此MMC输出有功功率、无功功率波动较大,且波动频率为2倍的基波频率。为了提高MMC工作特性,首先,分析了三相电网电压不平衡工况下,MMC在不同坐标系下的数学模型,并推导了其控制策略;其次,提出了三个控制目标,分别为抑制输出电流负序分量、抑制有功功率波动与抑制无功功率波动;最后,在Matlab/simulink中搭建仿真模型,验证了控制策略的有效性。仿真结果表明：基于所提的三个控制目标,MMC输出电流的谐波含量大幅降低,工作性能得到了提升。     

模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究

模块化多电平型(modular multilevel)高压DC/DC变换器采用模块化结构,能够很容易通过子模块串联的方法得到较高的电压和功率等级,适用于高压大功率直流变压场合。该DC/DC变换器采用由两个模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)组成"面对面相连"的结构,其本身具有直流侧故障保护的功能,无需采用直流断路器进行保护,变压器的存在可实现了电气隔离。目前针对此拓扑结构的研究尚处于起步阶段,其基本运行方式仍是研究的重点和难点。本文具体描述了模块化多电平型高压DC/DC变换器的拓扑结构,并且分析了其本身具有直流侧故障保护功能的作用机理。在此基础上,从调制策略、电容电压平衡策略及功率控制策略三方面对控制器进行设计。最后,通过建立仿真模型和搭建单相结构的实验平台,验证了所提基本运行方式的有效性。     

并网模块化多电平变换器控制研究

模块化多电平变换器(MMC)的并网应用是其最重要的应用场合。首先推导出了MMC在dq旋转坐标系中的等效模型,不同于常规的电压源型变换器,该模型显示交流输入回路的电感和等效电容均对系统控制产生影响;然后选择电感和电阻上的电压为控制对象,将其他变量作为扰动变量,大大简化了对输入电流的控制;再在外环控制方面,引入电容能量作为变量,实现了系统的线性控制,建立了系统功率响应模型,推导出了系统传递函数;最后通过实验证实了所提的控制策略的正确性。     

具有直流故障穿越能力的模块化多电平换流拓扑推演与对比

直流故障具有影响范围广、故障电流大的特征,已成为制约直流系统发展的重要因素之一.模块化多电平换流器可通过配置双极性子模块实现直流故障穿越,但相比于基于半桥子模块的拓扑,其建造成本与运行损耗均大幅增加.为寻求兼顾硬件成本、运行效率与直流故障穿越能力的模块化多电平换流拓扑,首先通过拓扑抽象定义与模块配置约束,遍历并推导出4...     

基于模块化多电平变换器的高压直流输电故障特性与控制保护

风电并网基于模块化多电平变换器的高压直流输电(MMC-HVDC)交流电网侧发生短路故障,故障点交流电压的降低会使受端系统传输有功功率的能力下降,而风场侧功率传输基本不受影响,送端和受端有功功率出现差额,直流系统电压将持续上升,威胁系统安全.此外,如果MMC中部分子模块发生故障将导致换流器不能正常工作.为此,首先提出了可在直流侧并联安装采用统一控制的分散式小型卸荷负载来消耗直流系统无法消除的功率差额,从而维持直流系统电压的恒定;其次研究分析了换流器子模块故障特性,并提出了一种换流器子模块故障冗余保护策略.基于PSCAD/EMTDC仿真验证,通过将多余的能量消耗在分散式小型卸荷负载上,有效地抑制了直流过电压,保证整个柔性直流输电系统在故障期间短时运行,最大限度地保持功率的传输;采用子模块冗余保护策略可使换流器具有一定的故障容错能力,不因一个或少数几个子模块的故障影响整个装置的运行,提高了系统可靠性.     

模块化多电平换流器直流输电控制策略

模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统的控制策略及电流内环控制器对其故障时的运行特性有着重要影响。设计了电网电压不平衡下负序电流抑制策略和对应的限流环节。为解决正负双序同步旋转坐标下电流序分量分解和控制器较多问题,构建了基于比例积分和谐振控制的混合电流矢量控制。此外为降低桥臂环流对系统运行的影响,在分析桥臂电流构成成分的基础上,针对环流序分量2倍频特点设计了桥臂环流抑制器。仿真结果表明混合电流矢量控制能够实现直流和2倍频交流电流信号的统一控制,达到了负序电流和桥臂环流的抑制效果。     

基于混合桥臂的模块化多电平直流融冰装置

针对目前直流融冰装置存在的结构复杂、高次谐波污染严重等问题,提出了一种基于混合桥臂的新型模块化多电平换流器(MMC)直流融冰方案。方案采用上臂均由全桥子模块(FBSM)而下臂均由半桥子模块(HBSM)构成的新型结构。正常运行时,作为静止同步补偿器(STATCOM)实现动态无功补偿。输电线路覆冰时,可输出从零到设定值的连续可控直流电压和电流来实现融冰功能。首先,对混合桥臂MMC直流融冰的优点进行了介绍,分析了其数学模型和功率。其次,提出了混合桥臂MMC直流融冰的分级控制策略。最后,在PSCAD中搭建了混合桥臂MMC直流融冰模型,对方案和控制策略的可行性和有效性进行了仿真验证。     

模块化多电平换流器直流双极短路特性分析

模块化多电平换流器(MMC)的直流双极短路故障特性分析是MMC故障管理、系统电气设计以及含MMC电网规划的重要研究内容之一。文中对MMC的双极短路故障特性进行了研究。首先,分析了双极短路故障脉宽调制(PWM)闭锁前后的暂态过程,定义了导通重叠角。然后,结合导通重叠角的大小分析了4种稳态短路电流通路及7种不同情况,定性分析了交流侧和直流侧稳态电流的特性,以及电抗分布系数和短路等效电阻对稳态短路电流的影响,并推导了交流侧和直流侧稳态短路电流的实用工程计算方法。最后,采用算例与仿真验证的方式验证了分析方法的有效性。     

一种基于模块化多电平变换器拓扑的柔性母联控制器

针对传统母联开关的各种缺陷,提出了一种基于模块化多电平变换器拓扑的柔性母联控制器。它可以连接不同电压等级的网络,实现潮流的优化调节、无功支撑及故障时交流系统之间的快速紧急支援和隔离故障。同时具备直流电压输出端口,可以用于交直流混合的配电网架中。对柔性母联控制器的工作模式进行了分析,设计了直流电压及潮流控制器。通过仿真及实验,验证了该控制器的性能。