基于能量平衡的降低模块化多电平变换器子模块电容电压波动控制策略

电容器是模块化多电平变换器(MMC)子模块的关键部件,降低子模块电容电压波动是提高电容器可靠性和降低变换器成本的双重要求。首先分析不同环流对MMC电容电压波动的影响,指出注入典型2次环流是降低电容电压波动和减少器件损耗较好的折中方案。然后,在介绍已有基于工频周期的能量平衡控制策略基础上,提出基于控制周期的能量平衡控制策略,在达到注入典型2次环流降低MMC电容电压稳态波动的同时又能取得较好的暂态性能。所提出的基于能量平衡的控制策略,与常规PI控制器相比避免了繁琐的参数整定过程,并适应各种工况。最后,通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。     

混合MMC电容电压波动差异机理及抑制策略

降低模块化多电平换流器(MMC)中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对子模块电容器容值、体积、成本的需求,具有重要的研究价值。文中首先分析了混合MMC过调制下半桥子模块与全桥子模块的电容电压波动特性以及两种子模块间的波动差异产生机理,确定波动差异对应的能量积累区间。然后分类讨论三次谐波电压注入后桥臂参考电压的极值点分布和过零点分布,建立三次谐波电压注入系数、调制比与波动差异抑制能力的关系。在此基础上,以减少半桥子模块与全桥子模块电容能量积累差异为目标,对三次谐波电压注入量进行优化设计,提出了基于三次谐波注入优化的子模块电容电压波动差异抑制策略,并给出电容容值降低的计算示例。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端混合MMC模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

大幅减小子模块电容容值的MMC优化方法

减小子模块电容容值能够降低模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的成本、体积和重量,具有重要的工程意义。该文首先建立半桥、全桥和混合MMC的子模块电容电压波动统一模型,揭示出基频和2倍频波动是主要分量。在此基础上,提出一种结合2倍频环流和3倍频共模电压注入及优化调制比来减小子模块电容电压波动的方法。以混合MMC为例,结合其运行的约束条件对调制比、子模块数量、控制策略和子模块容值选取进行优化设计。所提优化方法能够将子模块电容容值减小为常规的约1/3,同时降低换流器通态损耗并保留直流短路故障处理能力。仿真结果验证了理论分析的正确性和所提优化方法的有效性。     

模块化多电平型变流器电容电压波动及其抑制策略研究

以模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)上下桥臂的功率流动和能量波动为出发点,得到模块化多电平变流器上下桥臂子模块电容电压波动的数学模型。分析子模块电压波动与MMC传输功率、内部环流等物理量之间的关系。提出通过控制MMC内部环流的二次分量来抑制子模块电容电压波动的控制策略,通过测量相电流瞬时值和相电压调制值得到内部环流参考值,引入准比例谐振(Proportional-Resonant,PR)控制器进行环流闭环控制从而抑制子模块电容电压波动。该控制策略无需坐标变换,无交叉耦合项,简化了控制器的设计。仿真表明,在保持子模块电容大小不变的前提下,该控制策略能有效抑制子模块电容电压的波动,改善MMC输出的交流电压波形质量。     

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。     

基于附加电平MPC的MMC环流抑制与子模块双重均压控制

针对模块化多电平变换器的相间环流与子模块电压波动问题,提出了基于附加电平模型预测控制的环流抑制策略,利用附加的补偿电平实现总子模块数的实时更新,达到环流抑制目的;同时,将相间均压与相内子模块均衡作为子模块的第一重均压控制,再将所投入的子模块电压排序处理构成第二重均压控制。通过分析模块化多电平变换器的桥臂环流与桥臂电压之间的关系以及子模块电压波动的弊端,提出了环流抑制与子模块均压控制策略。最后,在Matlab/Simulink中搭建了31电平的模块化多电平变换器系统仿真模型,验证了所提策略的可行性与有效性。     

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。     

适用于模块化多电平变换器的改进调制策略研究

在介绍模块化多电平变换器基本运行特性的基础上,分析了传统的最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation,NLM)策略,针对传统的NLM调制提出一种优化改进策略,该策略能够将变换器的输出电平数由N+1提高至2N+1,有效降低变换器输出电压的谐波含量,提高变换器输出性能。同时,所提调制策略还能够降低子模块电容电压的波动,有利于延长电容器的使用寿命。最后,在PSCAD/EMTDC软件平台上建立了系统的详细仿真模型,验证了所提策略的有效性。     

不平衡网压下MMC子模块电压波动抑制策略

针对不平衡网压下模块化多电平换流器(MMC)子模块电容电压波动问题,提出一种注入共模电压与环流的MMC子模块电压波动抑制策略。首先通过注入共模电压使系统工作在较高调制比状态,然后根据半桥子模块MMC的数学模型推导出注入共模电压后的桥臂功率解析式,从而减小桥臂功率波动,实现注入共模电压与环流的MMC子模块电压波动抑制。最后通过搭建的17电平MMC实验平台对所提策略进行有效验证,实验结果显示该策略可有效减少子模块电容电压波动幅值。     

不平衡电网电压下抑制MMC子模块过电压的调制比设计方法

模块化多电平换流器(MMC)在调制比为1.414的稳态运行条件下,子模块电容电压波动的基频分量将被抑制到0;但在电网电压不平衡时基频分量会变大,导致子模块电容电压波动显著增加。为抑制电网电压不平衡时的电容电压波动,基于桥臂功率分析了稳态和电网电压不平衡条件下子模块的电压波动特性,提出了一种适用于混合型MMC的调制比设计方法,该方法以桥臂瞬时功率的基频分量为抑制目标,综合考虑了不平衡电网电压下的三相子模块电压波动特性,通过改变直流电压指令值从而改变运行调制比,避免了故障时子模块发生过电压的情况。在PSCAD中搭建混合型MMC模型,通过对3种电网电压不平衡工况进行仿真分析,验证了所提方法的有效性。     

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。     

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.     

LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统故障穿越控制策略

送端采用电网换相换流器（LCC）、受端采用全半桥子模块混合型模块化多电平变流器（FHMMC）的LCC-FHMMC混合直流输电系统,当受端交流系统发生故障时,受端交流电压跌落,受端功率传输受阻,盈余的功率导致子模块电容过电压,甚至可能造成设备的严重损坏。为此,提出了一种基于FHMMC直流电压降压运行的受端交流系统故障穿越控制策略,使其直流电压始终低于逆变侧交流母线的电压有效值。同时,整流侧LCC保持常规的定直流电流控制,保证逆变侧的直流电流在额定值附近运行,从而实现了进入直流系统的有功功率与逆变器向受端交流系统输出的有功功率之间的平衡。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上对LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统发生的对称故障和不对称故障分别进行了仿真分析,仿真结果验证了所提控制策略能够快速有效地穿越受端交流系统故障,并抑制子模块电容过电压。     

一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,?MMC)具备直流故障自清除能力和电容电压均衡能力,提出了一种新型并联双端口子模块：钳位双全桥子模块(clamp double full bridge submodule,?CD-FBSM)。该子模块器件成本和运行损耗较低,正常工作时相邻子模块之间具有多种协同运行模式,通过特有的并联模式可提高电容电压均衡度。故障闭锁时,模块内部电容并联、模块之间电容串联且反向接入电路,能够可靠阻断故障电流并均衡电容电压,有利于系统快速重启。此外,提出了三阶段故障电流阻断机理分析方法,对CD-FBSM的故障电流阻断过程进行了研究。通过Matlab/Simulink的仿真结果表明,所提子模块电容电压均衡度较高,可快速阻断故障电流,且故障电流阻断过程与理论分析一致。     

一种新型的n +1混合式模块化多电平换流器拓扑结构及其控制策略

针对中压应用场合,提出一种新型的n+1混合式模块化多电平换流器(HMMC)拓扑结构。在传统单桥臂n个子模块的模块化多电平换流器(MMC)基础上,加入1个全桥子模块,使其电容电压控制为半桥子模块的一半,实现输出电压电平数由原先的n+1增长至2n+3。针对其结构提出一种混合式调制方式,在保证HMMC稳定工作的基础上,降低HMMC子模块的工作开关损耗。由于全桥、半桥子模块电容电压不一致,采用一种电容预充电方式,并对子模块电容电压建立数学模型,提出一种子模块电容电压平衡的控制策略。在MATLAB/Simulink软件中搭建仿真模型,仿真结果验证了所提拓扑结构和控制策略的有效性和正确性。     

基于三电平子模块的倍电平复合式MMC变换器

为了降低模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的接线复杂度和通信失效故障概率,ABB提出了采用压接式IGBT串联的级联两电平CTL(cascaded two-level)变换器。由于桥臂子模块数由数百降为几十,CTL变换器输出电压电平数较少,需要在交流侧安装滤波器。为此,提出了基于三电平TL(three-level)子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC(voltage-level-doubler hybrid MMC)。每个桥臂有TL、半桥HB(halfbridge)子模块混合组成,且交流侧串联有一个全桥FB(full-bridge)子模块,输出电压电平数提高了1倍,从而省去了交流滤波器。各子模块具有脉冲自主触发功能且其功率开关由压接式器件串联组成,降低了桥臂子模块数,简化了控制器与主电路之间的接线复杂度,降低了通信故障的概率。单个功率开关短路故障不会影响系统正常运行,并且可避免了子模块电容的过度放电,保护电容器和功率开关,提高变换器的可靠性及故障穿越能力。所提拓扑结构实现了直流故障穿越运行,为HVDC换流站的设计提供了技术参考。     

MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制

介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压平衡的原理以及子模块(sub-module,SM)电容的充放电过程.指出传统的电容电压平衡控制下,子模块投切较频繁,器件开关频率较高,会造成较大的开关损耗.针对传统方法的问题,提出一种适合MMC型直流输电系统的电容电压优化平衡控制策略,将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上.对电容电压未越限的子模块,优化策略通过引入保持因子使具有一定的保持原来投切状态的能力,以降低开关器件的开关频率.使用PSCAD/EMTDC对优化控制策略进行仿真,结果表明优化平衡控制策略与传统方法相比,可以在基本不增加电容电压波动的前提下,显著降低器件的开关频率.     

采用电抗子模块分段投切的模块化多电平换流器降电容方法

模块化多电平换流器(MMC)子模块电容的电容电压波动使得电容值难以降低,阻碍了MMC换流阀轻型化的发展。在考虑了2次和4次相间环流的基础上,分析了子模块电容电压与桥臂电流相互影响的机理。为了降低子模块电容电压的波动水平,提出了一种以子模块形式分段投切桥臂电抗器的降容方法。分析了子模块电容电压波动的产生机理,分析了电抗子模块分段投切降容方法的原理,并设计了相应的控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)模型,验证了所提降容策略的有效性,并与现有的环流抑制策略进行了对比分析。     

低压直流母线AC-DC电力电子变压器及其短路故障穿越方法

传统的基于半桥型模块化多电平电力电子变压器使用大量的开关器件和无源元件,限制了其功率密度和效率的提高。提出了一种组合全桥型模块化多电平换流器(MMC)和输入侧间接串联型输入串联输出并联DC-DC变换器的电力电子变压器拓扑,MMC输出等级较低的中压直流母线,可减少隔离级DC-DC模块数量,且可以实现故障时的自阻断功能。通过改变DC-DC变换器模块输入侧的串联连接方式,可有效避免中压直流端口短路时导致DC-DC变换器输入侧电容短路问题。该电力电子变压器拓扑同时具备中压和低压直流端口,且可以有效降低开关器件、无源元件、高频变压器以及DC-DC变换器模块数量,提高电力电子变压器的功率密度、效率和故障穿越能力。最后基于MATLAB/Simulink,搭建了该电力电子变压器的仿真模型,仿真结果验证了该拓扑的可行性。     

太阳能电动车混合储能系统的能量管理策略研究

论文提出了一种适用于太阳能电动车的混合动力储能系统方案,给出了该系统的能量管理控制算法,其核心是分配、协调和优化太阳能、蓄电池和超级电容的能量。该系统包含太阳能电池板、boost变换器、蓄电池、超级电容、双向DC／DC变换器和直流无刷电动机。文中提出了一种新的双向DC／DC变换器的控制方法,能够充分利用超级电容的快速充...