基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法

基于模块化多电平变换器（modular multilevel converter, MMC）的DC/DC变换器因其模块化结构,容易实现低中高压之间的电压转换而广泛应用于直流配电网。该文研究了一种基于模块化多电平变换器的电隔离双向DC/DC变换器,根据DAB变换器的典型两电平电压波形,提出了一种基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法,可以在离散水平上产生适应的电压增益,并对MMC桥臂子模块电压平衡关系和能量平衡关系进行了理论分析,最后通过仿真方法验证了所提出的基于能量平衡的模块化多电平变换器调制方法的性能要优于经典能量平衡策略。     

一种模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略

电气拓扑采用模块化多电平技术的高压大容量DC/DC变换器是构建直流电网的关键装备之一。与柔性直流输电系统中的工频运行工况不同,基于模块化多电平的DC/DC变换器可运行于中/高频。若仍采用工频工况下的最近电平逼近调制策略及电容排序均压,会带来子模块开关损耗大及数字控制系统运算负担重等一系列问题。为此,提出了一种适用于模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略,阐述了基频调制的基本需求及其实现方法,提出了与基频调制相应的电压及电压增量双排序均压策略,并分析了基频调制策略对子模块电容参数设计的影响。通过仿真和实验对提出的基频调制策略和双排序均压算法进行了验证,结果证明该调制策略能有效降低功率器件开关损耗,改善交流输出电压波形的总谐波失真,缓解数字控制系统的运算负担,并与控制策略具有良好的兼容性。     

采用复合模块化结构的海上风电送出直流变换器

采用“直流汇集-直流传输”的全直流海上风电场具有设备体积小、系统损耗低、没有无功电压问题等优势,其核心设备高压送出DC/DC变换器亟须突破传统变换器功率低、电压受限等技术瓶颈。文中首先根据全直流风电组网技术需求,将模块化多电平变换器与输入串联输出串联型DC/DC变换器组合,提出一种复合模块化结构。其次,为实现DC/DC变换器的高变比功能,提出了基于双重移相的s/m调制策略,并针对该调制策略的特点改进了电容电压均衡算法,有效降低了器件的开关频率。最后,在MATLAB/Simulink仿真软件上搭建模型,验证了所提变换器拓扑及策略的有效性。     

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modular multilevel DC/DC converter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。     

高频谐波扰动下直流电网阻抗模型特征分析

直流配电网故障发展迅速且无固定频率的故障特征分量,因此,其故障特征的准确解析有重要的研究意义。从直流故障状态下系统阻抗特性分析出发,重点研究各类直流换流器的频率-阻抗响应。基于DC/DC变换器和模块化多电平换流器谐波通路,根据元件参数特性进行合理等效与简化,建立了上述变换器的高频阻抗模型。所述模型不受换流器控制策略影响,能够精确反映各类换流器的高频阻抗特性。     

集成故障阻断能力的DC/DC自耦变换器

高压大容量DC/DC变换器是多电压等级直流互联的关键设备，能够实现电压变换和直流侧故障隔离等功能。使DC/DC变换器具备直流故障阻断能力，减少对直流断路器的依赖，能够在很大程度上降低建设成本。为此，提出一种基于半桥型模块化多电平换流器串联的DC/DC自耦变换器拓扑。在功率正送和功率反送两种工况下，分析DC/DC变换器两侧分别发生直流双极短路故障后的故障响应，并提出对应的故障隔离策略。针对不同工况下的双极短路故障，在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真。仿真结果表明所提出变换器具备双向阻断直流故障的能力，与其他类型的DC/DC自耦变换器的对比分析结果验证了所提出变换器的经济性。     

模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究

模块化多电平型(modular multilevel)高压DC/DC变换器采用模块化结构,能够很容易通过子模块串联的方法得到较高的电压和功率等级,适用于高压大功率直流变压场合。该DC/DC变换器采用由两个模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)组成"面对面相连"的结构,其本身具有直流侧故障保护的功能,无需采用直流断路器进行保护,变压器的存在可实现了电气隔离。目前针对此拓扑结构的研究尚处于起步阶段,其基本运行方式仍是研究的重点和难点。本文具体描述了模块化多电平型高压DC/DC变换器的拓扑结构,并且分析了其本身具有直流侧故障保护功能的作用机理。在此基础上,从调制策略、电容电压平衡策略及功率控制策略三方面对控制器进行设计。最后,通过建立仿真模型和搭建单相结构的实验平台,验证了所提基本运行方式的有效性。     

可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段,近些年获得了快速发展。DC/DC变换器作为直流电网中电压变换和隔离直流侧故障的关键设备也日益受到关注。提出了一种适用于直流电网的可隔离直流故障的新型DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,同时提出了其故障隔离策略。对比该拓扑与半桥式DC/DC变换器的技术性和经济性差异发现,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,提出的DC/DC变换器方案不仅可以更快地切除故障线路,还减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。在PSCAD/EMTDC中,针对两个直流电网的典型场景,进行了直流双极短路故障仿真。仿真结果表明,所提出的拓扑具备直流故障穿越能力,非常适用于大规模直流电网系统。     

直流配网DC/DC变压器设计与调试

直流配电技术适用于园区供电以及多个园区之间的微网互联,是未来配电网发展的方向,而多电压等级直流配电网互联的关键设备是直流变压器.提出一种模块化多电平的DC/DC变压器,该变压器无需交流设备介入,可以直接通过控制子模块的投切进行变压.通过与常规模块化多电平直流变压器的对比得出,所提方案具有成本低、损耗小、体积小等优势.为验证所提出的变压器拓扑的可行性,搭建了20电平10 kV/15 kV直流变压器仿真模型以及8电平50 V/75 V直流变压器实验样机,通过仿真和实验,证明了所提方案的可行性,可以应用于实际直流配电网.     

模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究

模块化多电平变换器作为一种新型的多电平拓扑,因为适用于电压源换流型直流输电场合而得到了广泛研究.本文介绍了模块化多电平变换器的拓扑结构和工作原理,并对常用于模块化多电平变换器拓扑的载波移相、最近电平逼近和载波层叠调制策略以及相应的电容电压平衡算法进行了分析,并在PSCAD/EMTDC下搭建了31电平的模块化多电平变换器仿真模型,分别实现了三种调制策略及其电容电压平衡算法,比较了不同调制策略在电压谐波、电容电压平衡、开关频率等方面的表现,并给出了不同调制策略的特点.     

DC/DC/AC混合型MMC变换器控制策略分析与设计

研究了一种可以实现电能不同形式综合利用的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器(MMC),该结构的变换器实现了电压变换功能的多样化。首先,分析了该种可以同时实现DC/DC与DC/AC混合电压变换的模块化多电平变换器拓扑结构;然后,利用功率正交原理,设计了DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器的闭环控制策略;最后,在给定交流负载侧交流电流的前提下,实现了各个桥臂子模块电容电压的均衡控制。仿真结果验证了所提出的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器电压变换功能的可行性以及控制策略的有效性。     

模块化多电平DC-DC变换器研究综述

模块化多电平结构相比常规箝位型多电平和级联型多电平结构,具有更好的模块化设计、高压应用、多电平输出等性能。基于模块化多电平结构的DC-DC变换器特别适合中高压大容量直流输配电及新型直流负载供电。首先介绍了模块化多电平结构的组成及特点;其次对现有模块化多电平DC-DC变换器的主要拓扑结构及相应的调制控制方法进行了详细的总结梳理,并分析了变换器的故障隔离保护机制;最后对模块化多电平DC-DC变换器的研究难点及前景进行了展望。已有的研究表明,模块化多电平DC-DC变换器以其优越的电能变换性能,在价值需求的牵引下必然引领新的直流输配电技术的革新高潮。     

非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制

用于中高压直流电压转换和直流电网互联的高压大功率直流变压器一般采用中间交流变压器,存在损耗高和体积大等不足。对一种非隔离型的模块化多电平DC/DC变换器进行了研究,与普通双有源桥式DC/DC变换器相比,避免了交流变压器的存在。首先分析了此变换器的工作原理,建立了变换器的等效数学模型。考虑子模块电容电压存在特殊的不平衡,变换器需要引入交流循环电流,提出了一种保证桥臂功率均衡的最小化桥臂环流的控制策略,减小了桥臂电流的交流分量,降低了变换器的损耗。在Matlab/Simulink中仿真验证了变换器的性能和最小环流控制策略的有效性。最后搭建实验平台进行了实验验证。     

基于MMC的中压大功率直流配电方案及其控制方法

为了节省系统的体积,提出了一种新颖的中压直流配电方案,采用模块化多电平换流器(MMC)和二级管不控整流的结构。将MMC的输出交流电压、电流的基波频率设定在1kHz,与传统50Hz控制算法相比,可以在很大程度上减小变流器的体积。由于基波频率的提高,必须简化调制算法,提出了一种MMC方波调制策略,与传统MMC调制算法相比可以节约控制器资源。另外,为了测试整个系统额定运行工况,提出了一种电阻微循环的控制结构,可以实现功率的内部循环,仅从电网吸收电阻消耗的功率和系统的耗散功率,从而可以大大减小电网的压力。     

基于中压直流配电网的MMC调制策略研究

模块化多电平换流器已在直流输电场合得到广泛研究,现今为止已取得不少工程应用。文中介绍了模块化多电平换流器及其子模块的拓扑结构和工作原理。搭建了基于PSCAD/EMTDC的两端模块化多电平换流器仿真系统,实现了两种最常用的调制策略的比较。比较了不同调制方式下两端系统逆变侧输出电压、输出电流、A相桥臂电流及各桥臂子模块的电容电压波动情况。对模块化多电平换流器在中压直流配电网中的工程应用有一定参考价值。     

柔性直流电网的快速电磁暂态仿真

柔性直流电网含多个模块化多电平换流器与直流断路器,需要快速准确的换流器与直流断路器仿真模型。为提高模块化多电平换流器的仿真速度,利用电容能量均分的思想简化子模块均压策略,并准确保留桥臂闭锁与不闭锁时的外特性,提出了一种能量均分模型。针对级联全桥型直流断路器,给出一种断路器支路子模块串等值电路简化方法,提出了一种快速仿真模型。在PSCAD/EMTDC中搭建模型并进行了电磁暂态仿真,验证了所提出模型的准确性与快速性。     

用于城轨直流牵引系统的混合型MMC全桥子模块比例设计方法

城市轨道交通直流牵引供电系统是一个低电压大电流系统,受制于开关器件的通流能力,两电平变流器的单台容量难以满足需求。由全桥子模块和半桥子模块组成的混合型模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）可用于调制比大于1的系统中,利用全桥子模块的负电平输出能力,可以提高交流电压或降低直流电压。针对可用于城市轨道交通直流牵引供电系统的混合型MMC,提出一种全桥子模块比例的设计方法,满足高调制比稳态运行的需求和直流故障清除能力的需求,选取了常见的1 500 V地铁系统作为算例,选取3组参数,在PSCAD软件中搭建仿真模型,验证了设计方法的正确性。     

模块化多电平换流器分极控制策略

现有模块化多电平换流器(MMC)主流控制为基于dq旋转坐标系的直接电流控制方式,该控制将MMC的上、下桥臂施行对称统一的控制,导致换流器直流侧必须严格对称运行,对此文中提出了MMC完整的换流站级分极控制策略,在保证联结变压器二次侧无直流偏置的前提下,有效地改善了MMC直流侧不对称运行时的运行特性。通过对MMC交流侧与直流侧间的功率传递关系的推导,设计了一种基于直接电流控制思路的MMC分极控制策略,该控制策略可以灵活、独立地控制上、下桥臂分别输出的有功功率和无功功率,兼具一定的环流抑制效果;提出电压偏置率定义,通过对控制指令的修正与配合,可以在一定换流器结构下实现联结变压器二次侧无直流偏置的前提下MMC-HVDC系统直流侧的不对称运行,且同时可以明显降低直流侧不对称故障时直流母线的过电压水平;最后基于PSCAD/EMTDC搭建了两端11电平MMC-HVDC系统模型,仿真结果验证了所设计分极控制策略的正确性,以及对于桥臂环流的抑制效果、对于直流侧不对称运行特性改善的有效性。     

适用于少子模块混合型MMC直流故障穿越的均压调制策略

针对混合型模块化多电平换流器(HMMC)在中低压场景子模块个数受限以及直流故障穿越期间的电容电压平衡问题,提出适用于少子模块HMMC直流故障穿越的调制技术以及直流故障穿越期间的电容电压平衡控制方法。从虚拟半桥子模块角度对全桥子模块拓扑进行解耦,统一HMMC的内部拓扑。基于虚拟调制改进载波移相脉宽调制方法,提出适用于HMMC多工况运行模式切换的混合调制技术。进一步考虑直流故障穿越期间的子模块电容电压平衡需求,基于优化子模块充、放电能量分布的思想,重构脉冲映射关系,提出分层脉冲自适应平衡控制方法。仿真结果表明,所提策略实现了少子模块HMMC直流故障穿越,并有效保障了直流故障穿越过程中子模块的动态电容电压平衡。