基于改进快速排序算法的MMC均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于其自身具有输出电平数高、开关频率低、波形质量好等优势而被广泛研究和使用。子模块电容的电压均衡问题是MMC的重点研究方向之一。传统均压方法随着子模块数目增加,将极大增加开关元件频率损耗和控制器运算量。该文提出了一种基于改进快速排序算法的均压策略,通过实时监测子模块电容电压,设置子模块电压间的离散度指标,继而控制排序模块的开通和保持。同时,通过排序算法的优化,使控制器在多模块时计算效率大大增加,降低硬件要求。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建MMC-HVDC模型进行仿真验证。仿真结果表明,改进的均压控制方法能够在维持系统特性相对均衡的同时,有效提高运行速度,降低子模块开关频率。     

模块化多电平换流器电容电压均衡混合预测控制

提出了一种模块化多电平换流器(module multilevel converter,MMC)子模块电容电压预测均衡控制的混合控制方法。根据子模块工作状态和换流器桥臂电流大小,得到下一动作周期子模块电容电压的预测值;以预测的电容电压绝对误差限值作为电压偏差量判据,得到下一动作周期的子模块投切方案。该方法保证了子模块电容电压的均衡性,同时有效降低了功率器件的开关频率。在PSCAD/EMTDC上构建了11电平MMC系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于电路等效变换的二极管箝位式模块化多电平换流器电磁暂态并行仿真模型

针对模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）常规电磁暂态仿真模型计算资源消耗较大的问题,基于电路等效变换原理,提出了二极管箝位式模块化多电平换流器电磁暂态仿真的并行等效模型。首先将换流器子模块等效为受控源,实现子模块与换流器主电路的解耦,便于应用并行计算方法;其次根据子模块电路结构预先分析出各种可能的工作模式,以避免开关动作时重新生成计算矩阵,便于根据桥臂电流与开关状态等信息实时计算出模块端口电压。对一个12电平MMC换流器的仿真结果,验证了所提方法的有效性以及该等效模型的正确性。     

基于电压向量合成的模块化多电平换流器控制策略

介绍了模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的拓扑结构与工作原理,提出一种基于电压向量合成的模块化多电平换流器型高压直流输电（modular multi-level converter based high voltage direct current,MMC-HVDC）控制方法.传统的模块化多电平换流器控制方法子模块投切频率高,相应的开关损耗也高.设计的电压向量合成控制法可以实现子模块工频开关投切,极大地降低了模块开关损耗.同时还针对该控制方法设计了模块均压控制策略和换流器闭环控制系统,在模块工频投切的同时模块电压也能得到良好的均压控制.仿真结果表明所设计的控制系统模块开关频率低,电压波动范围小,实现了功率的闭环控制,具备很好的理论研究价值和工程应用价值.     

模块化多电平换流器子模块平均开关频率的精确控制方法

在现有的基于电容电压排序的优化均压算法基础上,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)的精确控制子模块开关频率的方法。通过引入双保持因子,避免绝缘栅双极型晶体管(IGBT)不必要的反复投切现象,从而在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,有效地降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗;在此基础上,设计了精确控制子模块开关频率的比例—积分(PI)控制器,能够在降低开关频率的同时精确地控制其大小,保证系统稳定运行和换流器的运行效率;最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端101电平MMC仿真模型,对所提出的方法进行了验证,仿真结果表明该方法可以在保证系统稳定运行的前提下,精确地控制子模块的开关频率,证明了所提出方法的正确性和有效性。     

基于最大电压偏差裕度的MMC子模块均压优化算法研究

根据模块化多电平换流器(MMC)的运行原理,针对传统子模块电容电压排序算法存在器件开关频率高、从而引起开关损耗较大的问题,本文提出一种基于最大电压偏差裕度的均压优化算法。该算法考虑了子模块上一时刻开关投切状态以及各子模块电压之间的差值,可以在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,避免IGBT不必要的反复投切,有效降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗,从而提高系统运行效率。本文通过在Matlab/Simulink平台上搭建21电平的MMC仿真模型进行了仿真,仿真结果验证了均压优化算法的正确性和有效性。     

基于拆分冒泡排序法的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

针对模块化多电平换流器（MMC）传统电容电压排序效率低的问题,提出了一种基于冒泡原理的拆分冒泡电压均衡控制策略,并为降低子模块的开关频率,采用了保持因子的电容电压均衡方法。在MATLAB/Simulink平台搭建模型进行仿真,结果表明该方法在提高电容均压效率的同时有效地降低了开关频率。     

混合型模块化多电平换流器的模型预测控制方法

混合型模块化多电平拓扑是由传统模块化多电平拓扑在每个桥臂上增加一个H桥模块构成。对于混合型模块化多电平换流器(MMC),基于比例积分(PI)控制器的双闭环控制策略需要多个参数控制器且具有参数整定复杂、对控制参数敏感等问题。为此,结合子模块电容电压排序算法与H桥模块控制算法,提出一种基于模型预测控制的分层控制策略,该方法通过建立相对应的指标函数对交流侧电流、环流与子模块电容电压进行分层控制,从而确定各子模块与H桥模块的开关状态。与传统控制方法相比,该方法原理简单、无需考虑复杂的参数整定且可使系统具有良好的动静态性能。最后搭建了混合型模块化多电平换流器的仿真平台,仿真结果验证了所提控制策略的有效性与正确性。     

基于变基准值比较的MMC电容电压优化均衡控制策略

模块化多电平换流器的子模块电容电压均衡是其稳定运行的关键,传统电容电压均衡策略计算量大,器件平均开关频率高。提出一种基于变基准值比较的电容电压优化均衡控制策略,由最近电平逼近调制计算出当前投入模块的数目,并根据投入模块个数调节基准值,以此基准值为分界点将子模块电容电压序列分为两组,采用随机置乱算法对组内元素排序,根据桥臂电流方向,确定组间排序先后次序,最终确定投入模块信息。同时,通过电容电压优化函数选取合适的电容电压允许偏差阈值及调节因子,实现对器件平均开关频率和电容电压一致性的优化控制;在MATLAB/Simulink中搭建基于MMC的三相逆变器仿真模型,验证所提策略在取得良好均压效果的前提下,降低计算量,同时降低器件平均开关频率。     

基于占空比调制的模块化多电平换流器模型预测控制

近年来,模型预测控制因其原理简单、控制方式直接、多目标控制容易实现等优点被广泛应用于模块化多电平换流器(MMC).但当前的模型预测控制方法主要存在开关频率不固定、各模块功率损耗不均衡、平均开关频率较高等问题.文中提出一种基于占空比调制的模型预测控制方法.首先,根据交流输出电流和环流的控制目标,利用MMC离散数学模型,逆向推导得到桥臂电压差与电压和的参考值,并将其直接换算为上下桥臂投入模块数的占空比.然后,利用载波进行调制并结合所提子模块电容电压平衡方法,实现了MMC定频控制.所提方法无须对目标函数进行遍历寻优和权重系数调节,计算量低且与子模块数量无关,容易实现子模块故障容错.最后,仿真和基于StarSim软件的实验验证了所提方法的有效性和正确性.     

模块化多电平变换器改进两段式模型预测控制

基于有限控制集的模型预测控制应用于模块化多电平变换器(MMC)时通常会暴露出计算复杂与交流侧输出电流严重失真等问题。提出一种双矢量优化谐波电流模型预测控制策略,即改进两段式模型预测控制,可减少开关状态组合计算量,进一步优化交流侧输出电流。推导了MMC离散数学模型,并构建无权重因子的代价函数,通过计算实际电流与参考电流包围的最小面积重新定义同一周期内两阶段开关信号的占空比,并引入一种附加冗余子模块的方法抑制桥臂环流,接着提出一种败者树多路归并排序算法均衡电容电压。在MATLAB/Simulink平台搭建三相23电平MMC仿真模型验证该策略的有效性。相比于两段式模型预测控制,所提策略的交流侧输出电流跟踪更加精准,谐波畸变率更小。     

永磁同步电机模糊自适应低开关频率模型预测 电流控制

在永磁同步电机有限集模型预测控制中没有脉宽调制环节,最优电压矢量直接作用于逆变器,开关频率高。为降低 开关频率,拟通过永磁同步电机模型预测电流控制系统的代价函数中,引入权重系数自适应调整的开关频率控制项。首先, 建立模型预测电流控制模型,分析运行工况及控制周期对开关频率的影响;其次,在代价函数中引入开关频率控制项,分析开 关频率控制项权重系数对开关频率和电机控制性能的影响规律;然后,基于模糊控制理论设计权重系数自适应调整的模型预 测电流控制系统,通过检测定子电流和参考电流的控制误差值作为模糊控制的输入量,开关项权重系数作为模糊输出量,实 现开关项权重系数的自适应调整。仿真结果表明,模糊自适应开关项权重系数控制方式相比于固定权重系数控制,在转速为 500 r/min时电流谐波增大0.36%时而开关频率降低1.5 kHz 左右,在2000 r/min时开关频率降低0.8 kHz 左右。     

模块化多电平换流器有限状态分层模型预测控制方法

模型预测控制易于协同控制多个参量,在模块化多电平换流器控制中体现出显著的优势,但传统的有限状态模型预测控制方法的权重因子难以精确设计,需要依赖大量的仿真和实验测试。文中提出一种有限状态分层模型预测控制方法,通过逆向预测交流电压以及桥臂内部不平衡电压降计算上/下桥臂导通子模块数,实现交流电流控制和环流抑制。所提方法不仅省去了权重因子的繁杂设计过程,且无须循环计算所有开关状态,简化了循环预测次数,还可确保2N+1电平输出;同时,提出了一种基于预测分组排序的子模块电容电压平衡控制方法,可有效降低电压排序次数和开关频率,从而降低控制器的计算量。最后,搭建了模块化多电平换流器平台,验证了所提方法的正确性和有效性。     

模块化多电平变换器模拟仿真技术

为降低实时仿真器的成本,提高仿真性能,提出了一种针对功率变换器的实时模拟仿真方法,该方法具有天然的实时处理开关信号及模拟信号的能力,且其仿真速度与系统规模及复杂性无关。以电子模拟开关和运算放大器为核心,分别模拟实现了功率变换器数学模型中的开关函数和数学运算,并针对模块化多电平变换器(MMC)设计了MMC模拟仿真方法及电路,同时研发了MMC模拟仿真平台。通过仿真和实验验证表明了所提方法的可行性和有效性。     

计及开关频率分区优化的PMSM三电平模型预测控制

为降低传统三电平供电的永磁同步电机模型预测控制系统的开关频率,提出一种计及开关频率分区优化的PMSM三电平模型预测控制方法。首先,将空间电压矢量平面划分为12个扇区,并且根据上一时刻电压矢量所在位置,选择相邻扇区的电压矢量作为备选矢量。其次,加入对开关状态切换的限制,每个开关周期仅允许一相开关状态发生连续性跳变,减少备选矢量数量的同时能够有效降低开关频率。进一步,利用具有相同空间位置但对中点电位影响相反的正负冗余小矢量来平衡中点电位。最后,通过仿真和实验,验证该控制策略的有效性。     

模块化多电平变换器全桥型子模块优化均压控制方法

模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比,当SM增加时,会导致MMC的开关损耗急剧增加,因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。采用最近电平逼近调制(NLM)方式,提出一种基于全桥型SM的改进均压排序法,旨在降低MMC中功率器件IGBT的开关频率,该方法实现相对简单,无需额外的控制器,且易于扩展。最后,通过在MATLAB/Simulink平台搭建了19个全桥SM的仿真模型,验证了该方法的有效性。验证了所提全桥型SM优化均压策略,可以有效避免IGBT不必要的反复投切,降低IGBT的开关损耗,同时对外部输出特性不会产生负面影响。     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

Discrete space vector modulation and optimized switching sequence model predictive control for three-level voltage source inverters

This paper proposes a discrete space vector modulation and optimized switching sequence model predictive controller for three-level neutral-point-clamped inverters in grid-connected applications. The proposed strategy is based on cascaded model predictive control (MPC) for controlling the grid current while maintaining the capacitor voltage balanced without weighting factor. To enhance the closed-loop performance, the external MPC evaluates 19 basic and 138 virtual vectors (VV) of the proposed space vector method. The optimal control voltage is then selected using an extended deadbeat method to reduce the execution time of the proposed control algorithm. By using the discrete space vector modulation principle, the VV are synthesized based on switching sequence (SS) and are divided into negative and positive SSs considering their impact on the neutral point (NP) potential. The inner MPC evaluates both types of SSs and selects the one that keeps the capacitor voltage balanced. Various controllers are evaluated and compared against the proposed control strategy. The results show that the proposed strategy improves performance without weighting factor, while maintaining a total harmonic distortion of current to be less than 2%. Compared to the modulated MPC which provides the same fxed switching frequency, the proposed controller reduces the computational burden by over 50% while also providing better NP voltage balance accuracy