稳态负电平输出下的混合型MMC设计方法

混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)桥臂中含有半桥子模块和全桥子模块。利用全桥子模块的负电平输出能力,混合型MMC可具备直流故障处理能力,在稳态下也可实现电压调制比大于1的工况,进而可实现直流降压运行或交流提压运行。该文针对稳态下利用全桥子模块输出负电平的工况提出一种混合型MMC的设计方法。根据电压调制比大于1的需求和直流故障穿越能力的需求,明确混合型MMC桥臂中全桥子模块占比的设计原则。同时,对半桥子模块和全桥子模块电容电压的波动情况进行详细的分析,描述子模块电容电压波动情况,并总结出子模块电容参数的设计方法。最后,通过仿真对所述设计方法的可行性和正确性进行验证。     

基于高交流调制比的混合MMC配比约束方案设计

全桥子模块的负电平输出性能,可使混合型MMC系统交流调制比大于1。基于高交流调制比的混合型MMC配比优化设计,可降低直流故障率,提升交流电网电压等级,扩展交直流电压运行区域,对柔性直流输电发展意义重大。因此,提出直流故障穿越与半桥子模块电容电压平衡约束的高交流调制比混合型MMC全桥比例设计方法;建立±500kV双端混合型MMC系统模型,分析直流故障量暂态特性与半桥子模块电容电压波动规律,得到混合型MMC配比综合优化设计方案。结果表明,全桥占比应不小于41%,随全桥比例增大,系统故障后电压恢复时间先减后增,故障自清除时间缩短,半桥子模块电容电压波动减小8.15kV,电容电压波动与交流调制比呈正相关变化;全桥比例为75%的MMC子模块故障处理能力强,综合性能最优。研究结果为MMC轻型化设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

一种降低MMC换流器子模块电容体积的方法

本文针对柔性直流输电工程子模块电容体积占比过高的问题,采用半桥子模块和全桥子模块相结合的方法,来抑制子模块电容电压波动量,使得子模块可以选取较低容值的电容,进而达到降低子模块体积的效果。通过推导桥臂能量公式,构建能量波动方程,得出能够使桥臂能量波动最小的调制比取值。为进一步降低电容电压波动,提出了相间电容电压互补的方法进行均压控制,以降低全桥子模块电容电压的波动。最后搭建了1 500 MW的±250 kV柔性直流数字仿真系统,采用纯半桥型换流站和半桥全桥混合型换流站进行对比仿真的方式,得出了本文提出的电容电压波动抑制方法可以使子模块电容值大幅度下降。     

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。     

混合型MMC的改进桥臂平均值与状态空间模型

混合型模块化多电平换流器(MMC)包含半桥与全桥子模块是MMC的通用形式。混合型MMC的常规桥臂平均值模型将半桥与全桥子模块动态视为一致，未考虑两者电容电压可能存在的差异，不能精确描述混合型MMC的动态特性。文中首先考虑半桥与全桥子模块动态特性差异，构建等效电路；其次，提出模拟桥臂调制信号在全桥与半桥子模块间非线性分配的算法，与等效电路共同组成混合型MMC改进桥臂平均值模型。在此基础上，考虑半桥与全桥子模块电气量高次谐波，推导混合型MMC电气部分在dq同步坐标系下的微分动态方程；基于桥臂参考电压非线性分配算法和分段求解方法，推导半桥和全桥子模块等效参考电压解析表达式；建立混合型MMC在dq同步坐标系中的模块化状态空间模型。最后，以测试系统为例，在PSCAD和Simulink中对比详细开关模型与所提模型的暂稳态波形，验证了所提建模方法的有效性和准确性。     

基于二次谐波环流注入方法的混合MMC电容电压平衡控制策略

当高压直流输电系统直流侧电压降低时,混合模块化多电平变换器(MMC)将工作在过调制状态,面临电容电压不平衡的问题.分析过调制状态下混合MMC中半桥与全桥子模块电容充放电过程与能量变化,提出一种简化的二次谐波环流参考幅值的生成方法.采用二次谐波环流注入方法避免混合MMC中半桥与全桥子模块电容电压不平衡的发生,实现半桥与全桥子模块电容在一个周期内的充放电平衡,使混合MMC在直流电压降低时继续传输有功功率.仿真与实验结果表明,所提出的二次谐波环流注入方法能够有效实现混合MMC在过调制状态下的电容电压平衡.     

半桥–全桥子模块混合型MMC的换流阀损耗分析方法

随着架空线路在直流输电工程中的应用和多端直流电网的逐步建设,半桥–全桥子模块混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converters,MMC)具有广阔的应用前景,其损耗计算也具有重要的工程意义。针对控制环节中加入二次环流抑制和三倍频电压注入的半桥–全桥子模块混合型MMC,对其工作原理和调制策略进行了阐述,对换流阀的损耗进行了分类并给出了计算方法:根据桥臂电流方向对通态损耗进行分段计算;根据桥臂电流方向和桥臂电压变化情况对开关损耗进行分段计算。在PSCAD/EMTDC中进行仿真,验证了采用的半桥–全桥子模块混合型MMC损耗分析方法的正确性。计算和仿真结果表明,半桥–全桥子模块混合型MMC的阀损耗和全桥子模块比例正相关,且受到功率因数角和调制比的影响,在允许范围内功率因数角越接近零损耗越低,调制比越高损耗越低。     

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...     

(23期已送排）一种基于最近电平调制方式的MMC电压均衡改进方法

最近电平逼近是模块化多电平换流器的主要调制策略之一,在电平数较多的换流器中具有明显的优势。为保证均压效果,通常都需要实时采集各个子模块的电容电压进行排序,在实际工程中则需要大量的电压采集模块来实现。针对上述问题,提出了一种替换方法,即通过桥臂电流对各个子模块投入时间的积分量来进行排序,间接实现了电容电压排序的效果,这种方法可以有效的减少传感器的数量。同时,在提出的替换方法的基础上,引入子模块间允许的电压最大偏差,在系统输出特性允许范围的前提下,大大的降低了因排序而导致的IGBT开关频率。最后通过RT-LAB仿真平台搭建了21电平的的MMC仿真模型,对两种电压均衡方法下IGBT开关频率和子模块电容电压进行比较,仿真结果验证了所提方法的可行性及有效性。     

基于改进冒泡排序的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)子模块电容电压均衡是当前MMC研究领域的热点问题。当MMC的单个桥臂子模块数量较多时,存在控制器运算时间长、子模块投切频繁和开关损耗大并导致MMC故障等缺陷。针对上述缺陷,提出了一种基于改进冒泡排序算法和平均值法混合控制策略。通过实时监测电容电压,采用改进冒泡法在初始化时对子模块电容电压进行排序,减少MMC控制器的运算量。在之后的控制周期采用已投入子模块平均值比较法对子模块作投切,降低开关频率。最后在Matlab/Simulink搭建21电平MMC模型,仿真结果验证了所提混合控制策略的有效性和正确性。     

MMC功率运行区域分析及环流切换控制策略

通过对模块化多电平换流器(MMC)动态特性和控制机理的分析,提出基于系统容量、电容电压波动阈值以及最大瞬时调制比的功率运行区域确定方法,并通过该方法对环流抑制和环流注入控制策略在不同子模块电容配置下的功率运行区域进行了比较分析。该方法可以优化子模块电容参数选取,避免过度冗余设计。此外,提出基于电压预测的环流控制器,使在不同工作点下可根据分析结果直接进行最优环流控制模式切换。对某单一桥臂子模块数为20的MMC系统进行仿真研究,结果验证了所提功率运行区域分析方法及其环流切换控制策略的正确性和有效性。     

适用于实时仿真的MMC子模块电容电压优化均衡方法

针对并行全比较算法存在的高空间复杂度问题,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)实时仿真的电容电压均衡优化方法。在子模块电容电压的排序方面,采用分组排序的均压策略,组内子模块采用并行全比较算法以减少排序时间,组间子模块根据所定义的能量平衡因子计算结果来平衡其电容电压值。此外,提出一种子模块电容电压值重构方法处理含相同电容电压值的子模块排序问题。在触发脉冲产生方面,提出一种串、并行触发结合的混合触发模式,将触发脉冲产生环节消耗的时间与MMC各桥臂子模块总数解耦。在PSCAD/EMTDC仿真程序和低功率MMC物理样机平台的阀级控制器中验证了所提MMC子模块电容电压优化均衡方法的逻辑有效性和工程实用性,证明了所提方法在保证低时间复杂度的同时,其空间复杂度亦有所降低。     

模块化多电平换流器的载波层叠脉宽调制策略分析与改进

采用载波层叠脉宽调制(PWM)策略时,模块化多电平换流器(MMC)的各子模块投入时间和开关频率差异大,导致各子模块直流侧电容电压出现严重不均衡以及开关管损耗和发热情况不一致,致使系统无法正常运行。文中在研究载波层叠PWM策略原理及其在MMC中应用问题的基础上,对其实现过程进行了改进,将多列载波按一定周期进行轮换以控制MMC各子模块。仿真结果表明,采用载波轮换层叠PWM策略后,各子模块平均投入时间以及开关管开关频率可达到一致,子模块电容电压即使没有采取专门闭环控制也可以实现平衡,从而系统整体控制算法得以简化。     

基于子模块电压波动估计的MMC双环二倍频环流抑制策略

模块化多电平变换器以其优越的性能在大功率电能变换领域得到了广泛应用和研究。推导了MMC子模块电容电压波动和桥臂投入模块数的表达式,针对MMC环流控制器性能分析的多样性、复杂性和电压波动的计算问题,提出一种基于子模块电容电压波动估计前馈+电压电流双闭环反馈的复合环流控制策略,有效结合前馈控制的快速跟踪性和反馈控制的闭环跟踪性能,同时优化计算环节。所提方法包括四部分:子模块电容电压的前馈估算;基于小信号模型的二倍频环流电压指令计算;投入模块数的计算;子模块电容电压的排序及其投切。其中二倍频环流电压指令通过电压电流双闭环控制器获得,并通过等效闭环阻抗分析其动态性能,选取达到最佳抑制效果时合适的控制参数。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。