模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略

模块化多电平换流器(MMC)因具备模块化、调度灵活等优势得到广泛应用.然而,逆变工况下,MMC子模块上下管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的损耗分布不一致,导致子模块内各器件的寿命差异大,而系统可靠性取决于寿命最低的器件,因此,子模块器件的可靠性将严重威胁到换流器的安全可靠运行.为此,文中提出了一种MMC子模块IGBT损耗优化控制策略.所提策略可以在不影响输出外特性的同时,改善子模块内部器件的损耗分布,提高系统的可靠性.具体而言,分析了模块内部损耗不平衡产生的机理,并通过在调制信号中叠加修正量的方式,减小子模块上下管IGBT的损耗偏差,实现了结温均衡.最后,通过损耗优化的数学证明及热-电联合仿真和器件寿命计算,验证了损耗分析的正确性及所提损耗优化控制策略的可行性.     

模块化多电平换流器的结构可靠性分析

模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)是柔性直流输电系统中的关键设施,其可靠性关系到整个输电系统的安全稳定运行。该文基于拓扑分析,综合考虑子模块、控制保护系统及阀冷系统等部件,建立了详细的MMC可靠性模型,并利用k/n(G)模型和伽玛(Gamma)分布分别构建MMC在两种备用策略下的可靠度函数。基于所建立的可靠性模型,定量分析了元件冗余及其冗余度、子模块备用策略对MMC可靠性的影响,分析结果可为MMC拓扑设计和备用安排提供必要的信息。     

基于面积等效法的模块化多电平换流器损耗分析

基于模块化多电平换流器的直流输电(modularmultilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)阀的损耗研究目前还没有。由于MMC阀拓扑的特殊性,传统晶闸管和绝缘栅双极晶体管串联阀换流器的损耗计算方法均不能直接应用,文章结合其子模块特有的半导体器件的开关特性,分析了MMC子模块投入和切除的具体物理过程;结合换流器拓扑结构和面积等效调制算法,推导了典型工况下MMC阀的损耗与阀电压、电流、调制算法的关系,为MMC-HVDC输电系统的降损设计提供了依据。     

全桥MMC柔性直流输电系统冗余度优化方法

柔性直流输电系统中,模块化多电平(MMC)换流阀冗余度与阀损耗、可靠性有着密切的联系。本文分析了MMC换流阀的工作原理,推导出全桥MMC换流阀损耗率、供电可靠性关于冗余度的解析表达式。分析表明,随着换流阀冗余度的提高,可靠性逐渐升高,但损耗也会加大。为了兼顾MMC换流阀的经济性和供电可靠性,本文采用遗传算法对换流阀的冗余度进行优化,通过线性加权和法得到综合目标函数,根据工程经验赋取权值。采用直流母线电压±800k V、额定容量5000MV·A进行计算,得到最佳冗余度为0.055。     

考虑子模块相关性的MMC可靠性分析方法

已有的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)可靠性分析方法多数未考虑大量子模块之间(submodule,SM)的相关性,在一定程度上会导致最优冗余配置方案的选取缺乏合理性,因此重点解决考虑子模块相关性的MMC可靠性分析方法问题。首先,建立单个子模块的可靠性模型;其次,考虑同一个MMC桥臂中子模块电压纹波和相间环流等因素对各子模块使用寿命的影响,选取符合这一特殊应用场景的Copula函数,建立MMC各桥臂的可靠性函数。再次,分析考虑子模块相关性前提下不同的子模块冗余配置方案对MMC可靠性的影响。最后,利用Matlab软件编程验证了所提出的MMC可靠性分析方法的正确性和有效性。将Copula函数与数理统计领域的分析方法相结合,所得到的桥臂联合概率分布函数便于后续拓展与改进,为用于直流输电的多电平换流器的可靠性分析方法提供了较强的理论支撑。     

异构型换流器的多任务剖面可靠性分析方法

现有关于模块化多电平换流器(MMC)可靠性分析的研究大多针对子模块结构独立的换流器,对于多种低成本、多模态的异构拓扑,尚缺乏有效的可靠性分析方法,因此针对异构型换流器的可靠性分析对扩展其应用边界有重要的意义。总结了异构型MMC的特征,以桥臂嵌套型MMC为例,提出了一种考虑桥臂切换导致的多任务剖面与工作故障延续性且适用于异构型MMC的可靠性建模方法。通过分析换流器的不同运行状态,建立了马尔可夫模型,并分析了其冗余配置方案。基于仿真算例计算了桥臂嵌套型MMC的可靠性,分析了子模块冗余配置对其可靠性的影响,并与传统模型进行对比,验证了所提方法可为多开关状态的异构型MMC的可靠性分析及冗余配置提供策略参考。     

高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化控制策略

混合型MMC存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部IGBT损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是换流器可靠性的薄弱环节。为此,本文提出一种器件损耗分布优化控制策略。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性,确定损耗优化的主要目标。其次,根据损耗计算公式,明确降低半桥子模块电容电压方法可用于降低其下部IGBT的损耗。然后,通过三次谐波电压注入,初步降低半桥子模块的电容电压,再通过桥臂输出电压指令值差异化分配,进一步降低半桥子模块的电容电压,进而最大程度减小其下部IGBT损耗,实现器件损耗分布优化。最后,通过MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验验证,证明了所提控制策略可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,能够提高换流器的整体可靠性。     

柔性直流输电系统换流器损耗与电压等级的关系研究

柔性直流输电一般采用模块化多电平换流器（MMC）,换流器损耗是衡量柔性直流输电系统的重要指标之一。推导了MMC子模块的通态损耗解析表达式、开关损耗解析表达式。从表达式可以看出,换流器损耗不仅与MMC子模块数量有关,还与柔性直流输电系统的容量、电压等级有关。详细分析了柔性直流输电系统容量与电压等级对换流器损耗的影响规律,得出了保证损耗最低的换流器输电电压等级的选取方式。仿真算例表明,采用所提方法确定的电压等级可以保证MMC换流器具有更低的损耗。     

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。     

考虑任务剖面的模块化多电平换流器可靠性评估方法研究

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMCs)的高可靠性是确保整个柔性化直流输电系统安全可靠运行的关键。由于实际MMC系统受风能等新能源的随机性、间歇性影响,IGBT结温长期处于剧烈波动状态,常规电力电子设备可靠性评估方法已无法满足换流器设计的高可靠性要求。文中提出一种考虑任务剖面的MMC系统可靠性评估方法。首先,基于实测风速数据分析风电场接入的25MW MMC系统运行工况下一年的输出功率,同时在功率器件结温预测中考虑基频结温波动的影响;通过雨流算法进行热荷载统计,以便于应用寿命模型,从而得到功率器件静态累积损伤。考虑寿命模型参数和器件参数的随机性和波动性,采用Monte-Carlo仿真建立器件寿命分布模型;以子模块中器件级可靠性分析为基础,通过可靠性方框图建立系统级可靠性模型,进而对不同冗余子模块的MMC系统进行可靠性分析。研究结果表明,本方法可为MMC系统可靠性量化评估和系统高可靠性设计提供理论指导。     

Loss distribution analysis and accurate calculation method for bulk-power MMC

Accurate evaluation of power losses in a modular multilevel converter (MMC) is very important for circuit component selection, cooling system design, and reliability analysis of power transmission systems. However, the existing converter valve loss calculation methods using the nearest level modulation (NLM) method and the traditional sortingbased capacitor voltage balancing strategy are inaccurate since the submodule (SM) switching logics in the MMC arms are uncertain. To solve this problem, the switching principle of the SMs in the sorting-based voltage balancing strategy is analyzed. An accurate MMC power loss calculation method based on the analysis of loss distribution of various SM topologies, including half-bridge submodule (HBSM), full-bridge submodule (FBSM) and clamp double submodule (CDSM), is proposed in this paper. The method can accurately calculate the losses caused by the extra switching actions during the capacitor voltage balancing process, thus greatly increasing the calculation accuracy of switching losses compared with existing methods. Simulation results based on a practical±350 kV/1000 MW MMC-HVDC system with variety of MMC topologies with diferent voltage balancing strategies demonstrate the efectiveness of the proposed method.     

柔直配电系统混合型MMC可靠性评估

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC) 作为柔性直流配电系统中的关键设备直接关系到整个配电系统的安全可靠,因此有必要对其可靠性的进行评估。本文首先对半、全桥以及混合型MMC进行比较分析,对比得出混合型MMC更适合运用柔直配电系统。然后通过对MMC工作原理、直流阻断能力、冗余配置的阐述计算出了全、半桥模块数及比例;建立元件可靠性模型并运用故障树法对混合型MMC进行了可靠性建模。最后利用Matlab针对冗余配置、全、半桥子模块比例、IGBT结温及损耗进行算例分析,得出结论：合理的冗余配置以及全、半桥比例是设计混合型MMC的关键所在。并指出IGBT的运行工况会导致混合型MMC的故障率提升。     

模块化多电平换流器IGBT状态参数在线监测方法*

考虑模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter ,MMC)可靠性与关键元件参数密切相关,本文提出一种针对其子模块(Submodule, SM)中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)状态参数估计的新方法。首先分析子模块开关状态量与电压的关系并建立桥臂电压数学模型;针对通过传感器采集的桥臂数据存在测量噪声,引入卡尔曼滤波理论,在线性最小方差准则下,建立了MMC子模块IGBT状态参数监测信息的数学模型,从而得到桥臂各子模块IGBT状态参数。该方法仅利用输电系统中已布置传感器,无需添加新的采集点,在不增加量测系统复杂度的同时有效降低投资成本与采样开销。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了MMC-HVDC的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了所提出的估计算法的有效性,且能有效消除桥臂传感器噪声的影响。该方法对提高监测系统的便携性,降低成本和能耗,有一定的参考价值。     

一种MMC子模块电容电压波动最小化容值优化方法

模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)广泛应用于直流配电系统。MMC由多个子模块组成,减小子模块电容可以降低子模块成本,提高变换器功率密度。分析了共模电压、环流和调制比对电容电压波动的影响,利用电容电压波动的解析表达式,通过注入合适幅值和相位的三次共模电压和二、四次环流,选取最优调制比,使目标函数电容电压纹波达到最小化,从而在一定电容电压波动率下使其电容取值达到最小化。采用所提方法可以使子模块电容容值的需求降低至常规方法的22%,变换器功率损耗降低至常规方法的87%,而开关管电流应力与现有方法相比只增加0.5%。RT-LAB实时仿真结果验证了所提理论的正确性和可行性。     

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。     

模块化多电平换流器子模块故障快速诊断方法

为了提高模块化多电平换流器(MMC)的可靠性,当故障发生后,需要迅速检测并定位子模块故障。分析了故障诊断存在的快速性问题,提出了一种快速的故障诊断方法。故障检测采用基于改进的预测模型的方法,通过比较桥臂电流预测值与测量值的差值是否大于阈值来判断故障,故障定位采用比较子模块电容电压斜率的方法来判断故障,可以快速地定位多个子模块故障,且无需外加传感器,结构简单易实现。最后,搭建了MMC仿真和实验平台,验证了该方法的可行性。     

混合型MMC降低子模块电容电压波动的优化策略

模块化多电平换流器（multilevel modular converter，MMC）在高压直流输电（high voltage direct current，HVDC）领域得到了广泛的应用。由半桥以及全桥子模块构成的MMC因具备主动使换流器直流侧输出极间零电压以适应短路故障条件的能力，引起了国内外学者的广泛关注。首先，从混合型MMC的开关函数角度出发，对理想情况下混合型MMC进行建模，建立了子模块电容电压基频、二倍频波动数学模型，并提出单位降容比的概念，研究了调制比对子模块电容电压波动的影响。其次，提出提高调制比的抑制子模块电容电压波动配合策略，有效降低子模块电容电压波动。在此基础上，提出基于三次谐波注入的新增半桥子模块数目优化方法，减少半桥子模块的新增数目，解决了单纯提高变比带来的全桥电容电压降落的副作用。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建双端±160 kV混合型MMC的仿真模型，验证了所提降容策略的正确性和有效性。     

一种模块化多电平换流器电压均衡改进策略

模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）是柔性直流输电系统的核心设备,其子模块的电容电压均衡问题直接影响系统的正常运行。针对此问题,首先介绍了一种现有的基于固定轮换的均压方法,指出其优缺点;再进一步提出一种改进的均压策略,能够在达到几乎相同的均压效果的基础上,减少模块的轮换;最后,在RTDS实时硬件在环实验平台中搭建MMC系统,验证了所提均压策略的有效性。实验结果表明,所提均压策略能在不影响MMC安全稳定运行的前提下,大幅降低开关频率,提高MMC运行效率。     

模块化多电平变流器HVDC输电系统控制策略

建立模块化多电平变流器（modular multilevel converters,MMCl的电磁暂态数学模型以及采用MMC为变流器的高压直流输电系统（high voltage direct current,HVDC）直流侧电压的动态数学模型。在此基础上,分析HVDC系统的直流侧电压动态特性,给出HVDC控制器参数协调设计原则和算法。最后,基于PscAD／EMTDc的数字仿真结果证明了所提出的HVDC控制系统参数协调设计原则和算法的正确性。