一种模块化多电平换流器交流侧预充电可控充电策略

为解决模块化多电平换流器在充电阶段过渡时易出现的电流过冲问题以及因不当投切引起的模块过充问题,深入分析了换流器内子模块电容的预充电过程,并根据子模块电容的充电特点提出了一种适用于可控充电阶段的有源交流侧均衡控制充电策略。通过母线电压定斜率控制固定上、下桥臂的子模块投切数目,避免数目突变。同时在充电过程中为使各臂子模块电容电压可准确跟踪其参考值,考虑了环流压降对桥臂子模块充电的影响,引入环流稳压控制环节对臂间子模块投切比例进行动态微调,从而保证子模块充电效果,提高相间充电一致性。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端有源换流器预充电仿真模型验证了上述充电策略的有效性,该策略控制下电容电压及直流母线电压平稳抬升,系统实现由不可控充电阶段到可控充电阶段的安全过渡。     

MMC-HVDC电容协同预充电控制策略

为预测基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(MMC-HVDC)电容预充电的准确时间并实现子模块电容的额定充电,考虑冗余子模块在内,提出了一种启动预充电和停机过程都适用的协同调制策略。首先,建立了模块化多电平启动预充电不可控阶段的动态数学模型,并据此修正了不可控阶段直流电压的表达式以及启动限流电阻选取的表达式。其次,分析了换流器解锁瞬间存在冲击电流的原因,调整了限流电阻的切除时间,从而较好地抑制了解锁时刻的冲击电流。再次,针对换流器子模块级联的特点,提出了一种模块协同直流电压的调制策略,该策略解决了换流站直流电压和子模块电容电压的匹配问题。最后,在MATLAB/Simulink中搭建了MMC-HVDC预充电仿真模型,对所提调制算法进行了仿真验证,结果表明,随着直流电压从Up开始升至Udc0期间逐渐将每相投入子模块数目从T(每桥臂子模块数目)下降至N(额定投入运行数),可以将子模块电容电压充电至额定值。     

基于混合直流换流器的海上风电送出系统的启动策略

混合型直流换流器由全控辅助换流器与二极管整流器并联构成,相比传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC),所需子模块数目大量减少,用于海上直流输电时的经济性显著上升,但目前针对该混合换流器的预充电尚无研究。为此,提出了混合直流换流器的启动策略。首先将混合换流器的启动分为不控充电与可控充电2个阶段,针对不控充电阶段分析了子模块电容电压之间的关系,并给出了限流电阻的计算方法。针对可控充电阶段,提出了2种不同的预充电方案。第1种方案依托于参数设计,方案简单有效,但降低了拓扑的模块性,提高了应用成本。第2种方案依托于环流控制,可以不用降低拓扑的模块性,但流程更加复杂,充电速度较慢。最后在MATLAB/Simulink中构建了混合换流器模型进行仿真,仿真结果验证了启动策略的有效性。     

载波移相调制模块化多电平换流器双均压系数电压平衡方法

模块化多电平换流器的启动和运行分为不可控预充电、可控预充电和正常运行3个阶段,3个阶段内的子模块电容电压平衡是其安全稳定运行的前提和关键。针对采用载波移相调制的MMC提出一种对3个阶段均适用的新型电容电压平衡方法。在分别研究3个阶段的电容电压不平衡机理的基础上提出基于平均值均压系数的电容电压平衡方法。利用每个子模块电容电压和所在桥臂电压平均值求得均压系数k1i、k2i,根据k1i微调取能电源内MOSFET占空比实现不可控预充电阶段电容电压平衡,根据k2i微调子模块内IGBT占空比实现可控预充电和正常运行阶段电容电压平衡。最后,通过单相3电平MMC实验样机验证所提电压平衡方法的可行性和有效性。     

一种新型的混合MMC预充电策略

模块化多电平换流器(MMC)的预充电是保证MMC-HVDC系统正常运行的基础,其中同时包含全桥子模块(FBSM)和半桥子模块(HBSM)的混合型MMC拥有较强的直流故障穿越能力而成为研究的热点.由于全桥子模块和半桥子模块的充电特性不同,子模块(SMs)的电容器电压在不受控制的预充电过程结束时可能会有所不同.通过分析指出了混合型MMC常规不控充电策略的缺陷,然后提出了一种三阶段预充电策略.该策略可以消除不同类型子模块的电容电压不平衡,解决了半桥子模块预充电过程中自取能量不成功的问题.最后,基于所提出的策略对不受控预充电过程进行了仿真和分析.     

模块化多电平变流器预充电优化策略研究

模块化多电平变流器(MMC)正常运行前需将子模块电容电压预充电至额定值,所提预充电过程分为不可控预充电和可控预充电两个阶段。不可控预充电利用限流电阻和旁路开关有效降低充电电流幅值,通过分析等效充电回路,推导出限流电阻表达式。可控预充电阶段充分利用限流电阻的限流能力,通过控制策略进一步提升子模块电容电压至额定值。所提预充电控制策略结构简单、易实现,针对上、下桥臂充电不均衡和充电时间较长的问题给出了优化方法。最后,搭建三相MMC实验平台,实验结果验证了所提控制策略的有效性。     

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。     

一种基于载波移相调制的模块化多电平换流器冗余策略

现有载波移相调制(CPS-SPWM)的模块化多电平换流器(MMC)冗余策略在切除故障子模块的过程中冗余子模块电容电压恢复缓慢,针对此问题,本文提出了一种MMC子模块电容电压热冗余策略。该策略在非故障运行状态下,按照一定的时间间隔从所有子模块中按规律选择正常运行个数的子模块,其余子模块则处于冗余状态,以使得所有子模块电容电压都维持在参考值附近。当子模块发生故障时,切除故障子模块,剩余子模块仍按非故障运行状态运行,无需单独为冗余子模块充电。同时针对含有冗余模块的MMC系统,提出了分组预充电策略,在控制系统复杂度较小的条件下,通过调节每组充电的子模块个数,使得所有的子模块电容电压都能够充至额定值。在PSCAD/EMTDC中建立了双端MMC模型验证了所提出策略的有效性与实用性。     

一种新型模块化多电平交流侧预充电控制策略

模块化多电平换流器(MMC)具有开关频率低、运行损耗小、波形质量高、子模块易扩展、故障处理能力强等特点,在学术界和工业界得到越来越多的关注。MMC正常工作前必须要进行预充电控制,即将子模块电容电压充至额定电压值,其目的是降低冲击电流,避免设备损坏,保证系统正常运行。此处提出一种新的交流侧预充电控制策略,首先通过子模块电容电压闭环控制得到子模块的充电功率,然后通过功率守恒得到交流电网释放的总功率。同时在充电过程中考虑桥臂内均压和桥臂间功率差控制,最终实现上、下桥臂子模块电容电压一起充电。通过实验验证所提策略的正确性。     

模块化多电平换流器交流侧预充电控制策略分析

模块化多电平换流器(MMC)启动过程前必须对子模块中的电容器充电。为保证电容器的可靠充电,在分析MMC拓扑及运行机理的基础上,针对交流侧接有源系统的MMC,提出了包含不控充电过程和可控充电过程的两阶段充电方案。仅利用交流侧有源系统就可使子模块的电容电压满足稳态运行的要求。利用MATLAB/Simulink下搭建的仿真系统验证了所提方案的正确性。     

一种单相MMC预充电控制策略

模块化多电平换流器(MMC)的预充电通常可分为两个阶段:不控整流以及boost升压。三相MMC的boost升压控制技术已经较为成熟。然而与三相MMC不同的是,单相MMC的直流侧具有独立电容。因此,单相MMC的boost升压阶段必须同时考虑子模块电容和直流侧电容,这是单相MMC预充电的难点所在。文中提出了一种基于单相半桥子模块(HBSM)的预充电策略。该策略的第一阶段仍为不控整流,第二阶段通过上下桥臂的能量之和与能量之差的控制来实现子模块电容的boost升压。之后,直流侧电容电压被交流侧持续馈入的能量充到额定值。该控制方案使整个启动过程快速、平滑、稳定,对单相MMC做整流运行具有重大价值。最后,所提方案的有效性及正确性在一台单相8个子模块的实验样机上得到了验证。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于MMC的电机驱动新型控制方法

针对电机在低频工况下出现的电容电压波动、桥臂环流等问题,提出了一种无权重系数的模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter ,MMC)驱动模型预测控制策略。在假设子模块(Submodule,SM)电容电压均衡的前提下,建立相电流目标函数并求取最优解,通过引入补偿电平数,实现对环流的优化控制。同时为改善传统排序均压控制算法速度较慢的不足,优化了现有SM电容均压控制策略,引入保持因子,并依据理想情况下MMC的电容电压规律,进行归并排序,保证了MMC中各SM电容电压的均衡。通过仿真验证了所提方法能有效实现对电机的控制。     

适用于实时仿真的MMC子模块电容电压优化均衡方法

针对并行全比较算法存在的高空间复杂度问题,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)实时仿真的电容电压均衡优化方法。在子模块电容电压的排序方面,采用分组排序的均压策略,组内子模块采用并行全比较算法以减少排序时间,组间子模块根据所定义的能量平衡因子计算结果来平衡其电容电压值。此外,提出一种子模块电容电压值重构方法处理含相同电容电压值的子模块排序问题。在触发脉冲产生方面,提出一种串、并行触发结合的混合触发模式,将触发脉冲产生环节消耗的时间与MMC各桥臂子模块总数解耦。在PSCAD/EMTDC仿真程序和低功率MMC物理样机平台的阀级控制器中验证了所提MMC子模块电容电压优化均衡方法的逻辑有效性和工程实用性,证明了所提方法在保证低时间复杂度的同时,其空间复杂度亦有所降低。     

模块化多电平变流器调速系统变频控制

模块化多电平变流器(MMC)凭借着诸多优势成为高电压大功率工况下的核心拓扑。但MMC变频调速系统运行于低频状态时存在桥臂能量分配不均衡、子模块电容电压波动严重等问题,不仅影响变频器全速域运行能力,甚至威胁系统安全。为解决上述问题,提出一种基于共模电压与偏置电压控制的MMC变频调速系统全速域运行方法,旨在通过控制系统各桥臂瞬时功率以快速抑制子模块电压波动。首先,构建系统数学模型,分析悬浮电容电压波动影响因素;其次,设计变频调速系统的低频控制器与在线模式切换环节;最后,为验证所提控制策略的可行性和有效性,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提控制策略能有效抑制MMC变流器子模块电压波动,完成不同频段平滑切换,降低系统损耗,改善系统输出品质,提升MMC系统安全运行能力。