新型牵引供电系统直流侧二次波动分析与抑制

为解决传统牵引供电系统中存在的电能质量和过分相问题,介绍了一种基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)的新型牵引供电系统。分析了新型牵引供电系统中出现的直流电压、电流二倍频波动问题,主要有两方面原因:一是受端单相H桥型模块化多电平换流器(SPH-MMC)正常工作时内部环流将流入直流侧引起直流电压、电流二倍频波动;二是送端三相MMC因电网电压不平衡时桥臂中存在的零序电压分量造成直流电压、电流二倍频波动。为此,对于SPHMMC基于准比例谐振控制器和二阶广义积分器设计环流抑制控制器;对于三相MMC设计无需锁相环和无需电流正、负序分解的电网不对称故障控制器,利用电压补偿技术设计直流侧二倍频波动抑制器。最后,以三端单相-三相MMC-MTDC仿真模型为例验证该文的分析结果和所提出的控制策略。     

基于MMC的同相供电潮流控制器控制策略研究

模块化多电平换流器(MMC)与平衡变压器相结合的潮流控制器(PFC),可节省传统牵引供电系统中的匹配变压器,满足高压大功率的应用。首先介绍了系统工作原理,重点研究了其中单相MMC背靠背换流器两端的补偿电流。提出了一种综合控制策略,包括变流器两端补偿电流的提取算法,子模块电容电压均衡控制,环流抑制策略以及PWM调制方法。最后在Matlab/Simulink中搭建了系统模型,分别对交直交型电力机车的牵引和再生制动工况进行仿真,验证了所提控制策略的有效性。     

单相模块化多电平变流器SVG控制方法研究

为解决模块化多电平变流器用于需要无功补偿的单相系统时直流侧电压稳定问题,文章首先介绍了单相模块化多电平变流器(Modular multilevel converter,MMC)的工作原理。然后通过对MMC建模,分析了单相MMC内部电压不平衡会造成环流,在此基础上提出了基于环流控制的稳压方法和MMC子模块电容的均压方法。在上述均压和稳压方法下,实现了MMC补偿单相系统的无功功率,并提出了一种基于T/6的虚拟三相法检测单相负载无功电流。最后,通过Matlab/Simulink仿真验证了上述控制方法的有效性。     

基于分层控制策略的牵引供电系统谐波阻抗测试装置

提出一种单相级联H桥结构的牵引供电系统谐波阻抗测试装置,采用干预式法向牵引网中注入频率和幅值可控的谐波电流以测量谐波阻抗。建立了测试装置与牵引供电系统之间的功率潮流关系,分析了其工作原理。控制系统采用分层控制策略:顶层功率控制用于从牵引供电系统中吸收有功平衡自身损耗;二层谐波控制用于产生谐波电流;三层均压控制用于均衡各H桥变流器电容电压。对控制策略进行了理论分析和仿真研究,最后在小功率实验平台上进行实验验证,结果表明应用该测试装置能够准确测量系统谐波阻抗。     

基于MMC铁路功率调节器的环流分析与抑制策略

采用模块化多电平换流器构造的新型铁路功率调节器(MMC-RPC)实现牵引供电系统电能质量问题综合治理具有诸多优点,但MMC结构特点会导致MMC-RPC存在环流问题。因此通过对牵引供电系统补偿原理的分析,结合MMC-RPC补偿电流特点,建立单相MMC的数学模型,分析了环流产生的机理。在理论分析的基础上,采用比例–积分–复数积分控制器设计了一种适用于MMC-RPC单相系统的环流控制器。最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,计算与仿真共同验证了MMC-RPC存在偶数倍频环流,其流入直流端会引起直流电流和电压的波动,仿真说明了本文环流控制能策略有效抑制环流。     

适用于模块化多电平换流器的环流抑制策略

针对模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)内部环流问题,结合变流器拓扑结构特点,提出一种基于交叉耦合控制的新型环流抑制策略,该方法通过检测桥臂电流,经二倍频负序旋转坐标变换分离MMC内部环流,进而采用交叉耦合控制方式实现MMC内部环流的快速抑制,以减小子模块电容电压波动;通过建立环流控制器(circulating current suppression controller,CCSC)的传递函数,详细分析并设计了MMC内部环流交叉耦合控制器,同时分析了所设计控制器系统的稳定性。最后利用PSCAD/EMTDC搭建了系统仿真模型,验证了所提环流控制策略的有效性,使变流器的系统稳定性与整体运行性能得到显著提高。     

单相H桥型MMC直接功率控制策略研究

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的研究主要集中在三相系统,很少有文献对单相MMC展开分析研究。文章分析了一种单相H桥型MMC的拓扑结构,建立其数学模型;通过构造和实际交流量成正交关系的虚拟交流量,提出一种基于αβ坐标系的直接功率控制(Direct Power Control,DPC)策略;单相MMC桥臂电流中的二次分量将流入直流侧,为此利用准比例谐振控制器设计环流抑制器;最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,结果验证了所提出控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器闭环均压策略研究

模块化多电平换流器(MMC)以其模块化结构、易于扩展及无需变压器等优点成为近年来的研究热点.子模块电容电压的稳定对MMC稳定运行至关重要,然而MMC各子模块电容电压均衡是MMC的难点.这里介绍了一种基于环流控制桥臂总能量和上下桥臂均衡能量的闭环均压控制方案.通过桥臂总能量控制器和能量均衡控制器来均衡子模块电容电压,确保子模块电容电压处于相同变化范围,保证MMC稳定运行.基于该策略搭建了单相五电平Matlab仿真和实验平台.实验和仿真结果验证了所述闭环均压策略的有效性.     

MMC模块电容电压波动分析与均衡控制研究

针对模块化多电平变流器(MMC)各子模块(SM)电容电压不平衡问题,对载波移相调制(CPSM)下相应SM电容电压均衡控制策略进行了研究。首先介绍了MMC的拓扑结构,分析了其工作原理;其次为分析MMC SM电容电压的波动和内部环流的基本成分,以双载波移相调制策略为出发点,对电容电压波动和环流进行了数学分析;在此基础上将SM电容电压和上下桥臂电流作为反馈信号,提出了电容均衡控制策略;最后通过仿真建模和实验室环境下搭建的小功率单相MMC实验系统,验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

基于MMC桥臂电流的STATCOM不平衡补偿控制方法

为稳定模块化多电平静止同步补偿器(MMC-STATCOM)的综合补偿,其交流侧电流、内部环流和子模块电容电压均须加以控制。文章首先分析了MMC-STATCOM同时补偿无功和负序电流的原理;然后针对一般方法将MMC交流侧电流和环流分开控制,提出一种基于MMC桥臂电流的STATCOM不平衡补偿控制方法,以实现MMC内外特性的双重控制,减少了专门的环流抑制器,并采用准PR控制器进行MMC上、下桥臂电流的无静差跟踪,以减少控制系统的复杂程度;最后,在PSCAD/EMTDC中进行仿真验证,结果表明所提方法可以实现STATCOM综合补偿,同时能有效抑制MMC内部环流。     

基于模块化多电平换流器的牵引供电负序治理

为解决牵引变的负序问题并补偿无功功率,采用两组单相模块化多电平换流器MMC背靠背连接构造铁路功率调节器RPC,直接接入牵引网。首先,建立了单相MMC数学模型;然后通过二阶广义积分构造正交虚拟分量,将其转换到旋转坐标系下,设计双闭环控制器,并以V/v牵引变为例,定量分析并补偿有功和无功;最后,在Matlab中搭建了基于MMC-RPC向V/v牵引变提供负序治理及无功补偿的仿真系统。仿真结果证明了MMC运用到RPC的可行性以及控制策略的有效性。     

采用MMC-RPC治理牵引供电系统负序和谐波的PIR控制策略

为综合治理铁路牵引变压器的负序、无功、谐波问题,设计了基于模块化多电平换流器的铁路功率调节器(MMC-RPC)。首先设计了频率自适应功率分离器,并从功率角度分析了Scott牵引变压器(STT)牵引供电系统综合治理的补偿量;然后在构造虚拟正交分量后建立了单相MMC数学模型,在同步旋转坐标系下分析机车谐波电流的特性,指出单相奇次谐波电流在dq坐标系下都以4的倍数次波动;最后提出了需要更少的谐振控制器数量的比例-积分-谐振控制策略。在Matlab中搭建MMC-RPC仿真模型进行仿真,结果证明了所提控制策略有效性。     

基于三相-单相变换的新型同相供电系统方案

针对当前电气化铁路供电系统中存在的负序、无功、谐波和电分相等问题,顺应铁路高速化、重载化的潮流,提出一种基于三相-单相变换的新型同相供电系统方案。该同相供电方式的整流侧采用不控整流电路,逆变侧采用H桥级联多电平单相SPWM变流器。由电压有效值和瞬时值双闭环控制,抑制不控整流电路的直流电压波动对逆变侧交流电压的不良影响,为机车负载提供稳定的电压支撑。分析了该新型同相供电系统的工作原理及其在不同工况下的供电性能,并在Matlab/Simulink平台上建立了系统模型。仿真结果验证了该方案的正确性与可行性。     

基于微分平坦理论的单相MMC环流控制器

针对模块化多电平换流器环流抑制策略的研究主要集中在三相,为此提出了一种基于微分平坦理论的单相MMC新型环流抑制策略。首先由二阶广义积分器提取二倍频环流量,然后经全通滤波器构造虚拟正交量,再由前馈控制和动态误差反馈两部分组成环流控制器,前馈控制作为主导控制量由输入变量和状态变量及系统期望平坦输出参考轨迹之间的函数关系构成;误差反馈控制用于消除期望值与实际值误差和内外部扰动的影响,增强控制器动态响应速度。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,验证所提环流控制策略的有效性。     

DC–AC Cascaded H-Bridge Multilevel Boost Inverter With No Inductors for Electric/Hybrid Electric Vehicle Applications

This paper presents a cascaded H-bridge multilevel boost inverter for electric vehicle (EV) and hybrid EV (HEV) applications implemented without the use of inductors. Currently available power inverter systems for HEVs use a dc–dc boost converter to boost the battery voltage for a traditional three-phase inverter. The present HEV traction drive inverters have low power density, are expensive, and have low efficiency because they need a bulky inductor. A cascaded H-bridge multilevel boost inverter design for EV and HEV applications implemented without the use of inductors is proposed in this paper. Traditionally, each H-bridge needs a dc power supply. The proposed design uses a standard three-leg inverter (one leg for each phase) and an H-bridge in series with each inverter leg which uses a capacitor as the dc power source. A fundamental switching scheme is used to do modulation control and to produce a five-level phase voltage. Experiments show that the proposed dc–ac cascaded H-bridge multilevel boost inverter can output a boosted ac voltage without the use of inductors.      

整流器功率平衡的多级串联高压变频器

现有实用的中高压变频器方案包括功率开关直接串联的两电平逆变器、单相逆变器的多级串联变频器、三相直接输出的三电平逆变器。该文提出一种整流器功率平衡的多级串联高压变频器,即一个整流器负担三个对称的单相交流电压输出,相位相同的单相逆变器通过变压器次级串联,构成一相高压交流输出。整个电路由网侧工频降压变压器、整流器与逆变器阵列、载侧高频升压变压器构成。串联级数为N的多级串联高压变频器包括N个整流器和3N个单相逆变器。该文分析这种变频器的拓扑构成和载波移相调制原理,并利用MATLAB/SIMULINK给予仿真分析,所得结果表明,所提出的多级串联高压变频器具有可行性和低成本。     

不平衡电网电压下MMC的比例降阶谐振控制策略*

当电网电压出现不平衡时,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型高压直流输电(high current direct current,HVDC)系统的电能传输将受到明显影响。针对该问题,文章首先分析了不平衡故障时MMC的相关内、外特性,指出在不同不平衡控制目标下MMC内部均可能出现零序环流,零序环流流入直流侧将引起直流电压/电流的二倍频波动;然后在αβ坐标系下建立MMC不平衡控制系统,基于比例降阶谐振调节器设计电流内环和环流抑制控制器;仿真结果验证了文章所提出控制策略的有效性。     

向无源电网供电的MMC-HVDC稳态运行区域分析

柔性直流输电能够为无源电网供电,连接无源电网时,MMC功率传输极限有待深入研究。基于开关函数推导了dq旋转坐标系下的MMC详细解析模型,定量分析调制信号、桥臂电流、子模块电容电压波动和自身容量限制等约束条件对换流器输送功率极限的影响。研究表明换流器的功率输送主要受最大调制比和电容电压最大允许波动约束,而且子模块电容过小会明显降低MMC功率输送极限。投入环流控制器可使MMC较大程度地摆脱子模块电容电压的限制,提高为无源电网供电的能力。最后在PSCAD/EMTDC上仿真验证了稳态运行区域计算方法的有效性。