模块化多电平换流技术及其应用专题特约主编寄语

正交随着可再生能源发电、电力牵引、变频传动以及智能电网等领域的快速发展,电力电子装备的电压与容量等级与日俱增。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其模块化结构、低谐波输出、采用低压器件等优势,特别适于高效率、高压大容量的电能变换。自2002年德国联邦国防大学R.Marquardt等人首次提出MMC结构以来,模块化多电平换流技术已     

“模块化多电平变换器”专辑征文启事

<正>模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种采用模块级联的新型电能变换拓扑结构,具有损耗低、波形质量好、安装维护容易、可靠性高等诸多优点,是近年来研究的热点课题,并在高压柔性直流输电领域中得到了迅猛发展。同时,模块化多电平变换器在诸如高压变频调速等其他中高压大功率领域中也有着广泛的应用前景。尽管有以上优点,模块化多电平换流器目前仍存在成本高昂、     

“模块化多电平变换器”专辑征文启事

<正>模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种采用模块级联的新型电能变换拓扑结构,具有损耗低、波形质量好、安装维护容易、可靠性高等诸多优点,是近年来研究的热点课题,并在高压柔性直流输电领域中得到了迅猛的发展。同时,模块化多电平变换器在诸如高压变频调速等其他中高压大功率领域中也有着广泛的应用前景。尽管有以上优点,模块化多电平换流器目前仍存在成本高昂、控制复杂、直流侧短路故障保护     

柔性直流输电系统功率模块研究与设计

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是电压源换流器直流输电(voltage source converter-high voltage DC,VSC-HVDC)技术领域的一种新型多电平换流器。文中首先介绍了MMC的拓扑结构及功率模块的工作原理;再从功率模块的系统架构、软硬件设计、损耗计算等方面阐述了功率模块的设计方法;在此基础上利用PSIM软件对功率模块的对拖运行进行了建模与仿真。最后通过实验验证了功率模块设计的合理性与可靠性。     

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...     

采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

模块化多电半换流器（modularmultilevelconveer,MMC）是应用于电压源换流器直流输电（voltagesourceconverter-highvoltageDC,VSC．rrvoc）的新型多电平换流器拓扑。该文介绍了MMC的拓扑结构及相应的工作原理。针对该新型换流器拓扑的特点及其在高压直流输电领域中的应用,提出一种新颖的适用于模块化多电平换流器的载波移相调制策略（carrierphase．shiftedSPWM,CPS．SPWM）。与其他调制策略相比,该策略动态调节能力强,且使MMC在较低开关频率的同时,亦具有良好的谐波特性。换流器中子模块的电容电压平衡问题,是MMC亟待解决的难点之一。该文根据子模块能量均分和电压均衡两种原则,结合换流器拓扑结构特点和调制策略,提出一种子模块电容电压平衡控制策略,有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围。仿真结果验证了所提策略的正确性与有效性。     

改进型模块化多电平高压变频器及其控制方法

模块化多电平换流器(MMC)由于其模块化、易于拓展的结构以及理想的正弦输出波形,在高压直流输电中得到广泛应用。而对于高压变频领域,MMC面临低速下电容电压波动过大的问题。一种改进型MMC(HMMC)拓扑结构因其良好的波动抑制特性受到关注。详细分析HMMC的电容电压波动特征,推导出其基频及二倍频波动表达式,并在此基础上给出电容的选型方法。此外,从HMMC内部的能量、环流控制到外部的电机驱动方面提出整体的控制方法,高效稳定地实现高压电机的变频调速。通过仿真和实验对所提方法的有效性进行了验证。     

适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器最新研究进展

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)为多电平换流器家族中的一员,其技术特点非常适用于电压源换流器型高压直流(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)输电领域。为了分析MMC的最新研究进展,首先介绍了MMC的拓扑电路及其工作原理,分析了其技术特点和应用领域,比较了其相对于传统2电平和3电平VSC拓扑的优势所在。然后分别从MMC的数学模型、调制策略、子模块电容均压、预充电、内部环流、控制方面、换流阀试验以及其在VSC-HVDC系统中的工程应用等方面,回顾了MMC目前在国内外的最新研究进展和工程应用现状,并指出了MMC自身的缺点和今后亟待研究的关键问题。已有的研究表明,MMC在电力系统中有着广阔的应用前景,是未来高压直流输电技术的一个重要发展方向。     

基于模块化多电平变换器的储能系统综述

储能系统是当前和未来新能源电力系统中的关键组成部分,储能系统的引入促进了电网结构的优化,实现了新能源的友好接入和协调控制。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)作为多电平换流器家族中的一员,在中高压大功率场合有着广泛的应用。对基于模块化多电平变换器的储能系统的研究情况进行归纳和总结。首先简要介绍了MMC的拓扑结构和技术特点,其次对各种储能技术的概况进行总结。然后着重讨论了储能单元接入MMC的方式和带有储能装置的MMC的调制策略、子模块电容电压均衡、主电路参数设计、控制方面等关键技术的研究进展情况。最后对基于模块化多电平变换器的储能系统研究的重点问题提出了建议。     

“模块化多电平变换器”专辑征文启事

<正>模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种采用模块级联的新型电能变换拓扑结构,具有损耗低、波形质量好、安装维护容易、可靠性高等诸多优点,是近年来研究的热点课题,并在高压柔性直流输电领域中得到了迅猛的发展。同时,模块化多电平变换器在诸如高压变频调速等其他中高压大功率领域中也有着广泛的应用前景。     

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与级联H桥变换器在中高压变频器应用中的对比研究

级联H桥型变换器CHB(cascaded H-Bridge)由于其笨重、复杂的多绕组移相变压器,限制了其向更高电压/功率等级电机驱动中应用。而模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的拓扑结构相比CHB可省去其笨重、复杂的移相变压器,因而更希望能够采用MMC来实现更紧凑、更灵活的电机驱动解决方案。但需要指出,MMC与CHB实际上存在很多不同之处,至今还没有文献对这两种拓扑各方面性能进行过系统的比较。为此,文中首次详细对比了MMC与CHB在电路结构、工作原理、元件数量、PWM调制方法、谐波性能等方面的优缺点,并探讨了MMC在电机驱动应用中需要面对的电容电压平衡问题、环流问题、启动预充电问题、以及低频运行时的电容电压波动等问题,并给出了相应的解决方法与一些基本的实验验证,旨在为模块化多电平换流器在电机驱动应用中的推广提供一点抛砖引玉的作用。     

考虑电压电流约束的感应电机容错运行对比研究

围绕电机驱动系统可靠性提高问题,对现有几种具备容错运行能力的三相感应电机驱动系统性能开展了对比研究。对容错控制策略的评估应考虑电机驱动系统输出的实际转矩和转速,而这主要取决于系统电流和电压约束。考虑到励磁电流的存在,感应电机驱动系统中的电流极限不如永磁电机驱动系统中的电流极限直观,同时逆变器和电机都存在对系统电压的限制,故通过推导故障后电机驱动系统的电压方程,分析得到了电机参数、运行工作点和电压电流约束对输出转速的影响,并指出优化拓扑可使故障后电机运行在额定转速以上以获得额外的功率。利用搭建的感应电机驱动测试平台开展了实验研究,不同容错策略的对比实验结果验证了理论分析。     

模块化多电平换流器电容电压与环流的控制策略

电容电压控制和环流的抑制一直是模块化多电平换流器(MMC)拓扑研究很重要的一方面,也是制约该拓扑应用于柔性高压直流输电(HVDC)领域的瓶颈。分析了模块化多电平换流器电容电压波动以及环流偶次谐波产生的机理。在排序均压的载波移相调制(CPS-SPWM)策略的基础上,附加了电容电压均衡控制,以抑制电容电压的波动。同时介绍了一种闭环的谐振环流控制器,实现对环流交流成分的抑制。该控制策略结构简单,且适用于单相系统。仿真结果表明,采用上述的控制方法,电容电压的波动和环流都得到很好的抑制,动态结果也很好。     

高压大容量储能功率转换系统的拓扑结构比较

高压大容量储能功率转换系统的主电路是储能电池进行充放电控制的基础,选择合理的功率转换系统主电路拓扑结构直接关系到高压大容量储能系统实际应用的可行性。分析变压器升压型变流器并联结构、H桥链式多电平变流器、全(半)桥模块化多电平变流器的单级式与双级式主电路拓扑结构,对比上述拓扑结构的材料成本、工作可靠性、材料功率损耗和输出电能质量。基于数学模型与仿真分析综合比较单位容量投资成本、工作可靠性、系统损耗和输出电能质量,结果显示H桥链式多电平变流器和半桥模块化多电平变流器更适合构建10 kV兆瓦级高压大容量储能功率转换系统。     

高压变频器共模电压仿真研究

该文分析了PWM高压变频器中输出电缆对电机影响、共模电压和三电平逆变器箝位点电位不平衡机理。为有效抑制共模电压对变频器的不良影响，提出了新型拓扑结构：在24脉波整流/三电平逆变的高压变频器中，设置共模电抗器，并将整流器中性点、直流侧中间点、输出滤波器中性点和三电平逆变器箝位点相连，并通过小电阻和系统地相连。基于该拓扑结构对6kV／2250kW的电机所进行的仿真结果表明，该拓扑结构可以减小高压变频器的共模电压，提高变频器运行的可靠性。     

应用于矿井提升机系统的超级电容储能型MMC

提出一种应用于矿井提升电气传动系统的超级电容储能型模块化多电平变换器MMC-SCES(super capacitor energy storage based modular multilevel converter),采用分布式超级电容组作为子模块的直流支撑电容,用于吸收提升机的再生制动能量,并在牵引工况合理释放,以提高能量的利用效率。首先分析了MMC-SCES的拓扑和工作原理;在此基础上研究了系统的关键控制策略;并通过仿真算例对所提MMC-SCES拓扑进行了验证。结果表明,MMC-SCES能够适应提升机的变频调速工况,提高了系统能量复用率,在中高压矿井提升电气传动领域中具有良好的工程应用前景。     

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。     

A Series-Connected Three-Level Inverter Topology for Medium-Voltage Squirrel-Cage Motor Drive Applications

The application of pulsewidth-modulated (PWM) voltages using two-level high-voltage inverters to a squirrel-cage induction motor (SQIM) can cause heating of rotor shaft, voltage spike across the motor terminals, etc. The increase in the number of steps of the motor voltage and hence decreasing the $dv/dt$ applied to the machine terminals can be a solution to this problem. The existing topologies that generate this multistep voltage include cascading of a number of single-phase inverters or use of higher order multilevel inverters. In this paper, a topology with series connection of three-phase three-level inverters is proposed, which addresses the problems of medium-voltage drives. The design of the inverter topology and its various PWM techniques are presented in this paper. This inverter topology and its control are verified on a 7.5-hp SQIM drive. Experimental results validate the steady-state and dynamic performances of the drive.