混合型MMC的开关频率优化控制算法

混合型模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的桥臂由半桥子模块HBSM(half-bridge sub-module)和全桥子模块FBSM(full-bridge sub-module)组成,损耗低、成本低,同时具有故障穿越能力。但是,子模块SM(sub-module)电容均压会造成较高开关频率,导致开关损耗较大。为了解决该问题,研究了基于混合型MMC的开关频率优化控制策略,将保持因子引入混合型MMC模型,通过数学推导,设计了基于电容电压波动率的保持因子控制器。仿真结果表明,开关频率优化控制算法在保持均压效果的前提下,有效降低了开关频率,在高压直流输电等领域具有理论意义和工程实践价值。     

三种MMC-HVDC直流故障处理方法下电力系统暂态稳定性分析

首先介绍在远距离大容量输电场合,3种基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)拓扑及其处理直流故障的方法:基于半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)的HMMC-HVDC跳换流站交流侧断路器,基于箝位双子模块(clamp double sub-module,CDSM)的CMMCHVDC通过换流器控制实现直流侧故障自清除,以及基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和MMC的混合拓扑在MMC直流出口处加装大功率二极管(LCC-D-MMC-HVDC)。然后,在由MMC-HVDC和交流线路构成的交直流并列简化系统中,基于等面积法则,对上述3种直流故障处理方法的暂态过程进行理论分析,并提出评价指标。最后通过仿真验证了分析结果。     

具备故障电流对称清除能力的双向开关钳位式全桥子模块

实现对直流侧故障的快速隔离与穿越是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流输电系统亟需解决的问题。在对现有子模块进行归纳与改进的基础上,提出了一种双向开关钳位式全桥子模块(bidirectional switch clamped full bridge sub-module,BCFSM),该子模块具备直流短路故障电流对称清除能力,闭锁后可引导故障电流对桥臂内所有电容进行串联充电,从而快速清除故障电流并保证闭锁期间桥臂内电容电压的均衡。同时,由于双向开关兼具钳位与旁路通道作用,与其他具备故障穿越能力的子模块相比,BCFSM具有良好的经济性。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,BCFSM-MMC可快速清除直流短路故障电流,且能够快速重启,具有高直流故障穿越可靠性的同时降低了换流站的建造与运行成本。     

子模块混合型LCC-MMC混合直流输电系统的启动控制策略

为了充分发挥电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)各自的优势,并使MMC具有直流故障穿越能力,研究了一种新型LCC-MMC混合直流输电系统。该系统主要特点是整流侧采用传统LCC,逆变侧采用由半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块构成的混合型MMC,具有可过调制运行和直流故障穿越的功能。重点分析了此种混合直流输电系统的启动过程,并给出了LCC和MMC的启动控制策略。最后,在物理动模混合直流输电试验系统上进行了验证,结果表明了该启动策略的可行性和有效性。     

并联全桥子模块MMC的自均压运行特性研究

模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)面临半桥子模块拓扑不能清除直流故障电流和子模块电容电压排序计算量过大、对传感器实时性要求高等问题。有文献针对低压领域MMC应用中存在的负荷电流过大、电容电压监测困难等问题,提出并联全桥子模块(paralleled full bridge sub-module,P-FBSM)拓扑,对MMC-HVDC具有借鉴意义。该文从P-FBSM结构出发,分析其开关状态集,进而推导以开关函数表示的并联全桥MMC桥臂模型;基于最近电平逼近调制,设计P-FBSM动态分配均压控制策略,实现无需子模块电容电压的自均压控制,有效减小控制器计算量、降低传感器实时性要求。最后,在PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果表明,采用所提均压控制策略可同时实现子模块电容电压的自均衡和直流故障电流快速清除。     

采用逆阻型子模块的新型模块化多电平换流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是高压直流输电系统领域中极具工程应用前景的电压源拓扑之一。在分析典型子模块拓扑特点的基础上,该文提出一种新型的逆阻型半桥子模块(reverse blocking half bridge sub-module,RB-HBSM)的MMC拓扑,用于解决传统MMC的故障穿越能力问题。开展了RB-HBSM及其构成的MMC拓扑的故障电流阻断机理及其主要功率开关器件的电气应力分析研究,提出了故障控制流程,最后通过仿真算例对所提出的子模块拓扑进行了验证。仿真结果表明,新型RB-HBSM-MMC拓扑在不改变原有控制策略与调制策略的情况下,能够迅速实现故障电流阻断效果,有助于进一步降低系统的复杂程度。     

LCC与FH-MMC混合直流输电系统直流单极接地故障穿越控制策略

混合直流输电系统整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC),逆变侧采用混合型模块化多电平换流器(full half bridge modular multilevel converter,FH-MMC)。直流单极接地故障是直流输电系统主要故障类型,在发生直流侧单极接地故障时,混合直流输电需切换运行模式,LCC侧由双极运行转为单极运行,FH-MMC侧通过桥臂输出负电平电压消除交流电压直流偏置以及故障电流。通过对该运行模式下FH-MMC桥臂功率流动特性进行分析可知,上、下桥臂产生能量不平衡问题,导致故障桥臂子模块电容电压持续上升,影响开关器件的安全运行。为此,基于基频环流注入的能量平衡策略提出一种直流单极故障穿越控制策略,保证直流母线单极接地故障下正常极仍可传递一半的额定功率,实现混合直流输电不停机运行。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建混合直流输电仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

新型四电容组合的半桥MMC子模块拓扑

随着模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在柔性直流输电工程的广泛应用,架空线路的直流侧短路故障频发,如何快速清除故障电流成为柔直工程中亟待解决的关键问题之一。传统的半桥子模块拓扑缺乏对直流侧故障清除的能力,而全桥子模块拓扑可以通过输出负电平来清除故障电流,但是其投资成本较高。基于此,在半桥子模块的基础上,提出了一种四电容组合的半桥子模块(four capacitor combined half bridge sub-module,FCC-HBSM)拓扑。FCC-HBSM通过4个半桥级联组成一个四电容的子模块,不仅可以快速有效地清除直流故障电流,还能够自均衡故障前后的电容电压。并且,相较于一些其他改进型子模块拓扑,所提子模块拓扑具有更简单的控制方式,同时减少了功率器件的数量,能够进一步降低换流站的建设成本。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,FCC-HBSM具有良好的直流故障清除和保持故障前后电容电压均衡的能力。     

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。     

LCC-MMC型混合直流输电系统小干扰稳定性研究

该文建立LCC-MMC型混合直流输电系统的小干扰动态模型,其中整流侧为电网换相换流器(linecommutatedconverter,LCC),逆变侧为模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC),通过对比小干扰动态模型计算结果与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果,验证所建立模型的准确性。采用特征根分析法,研究了控制系统参数、MMC换流站子模块电容和桥臂电感对混合直流输电系统小干扰稳定性的影响。结果表明,控制系统参数对混合直流输电系统的小干扰稳定性有较大影响;MMC换流站子模块电容和桥臂电感的增加会降低混合直流输电系统的稳定性,甚至引起系统小干扰不稳定。     

LCC-MMC混合直流输电系统整流侧故障穿越控制策略

整流侧采用电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC),逆变侧采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)构成的混合直流输电系统,结合了LCC、MMC的优点;同时,当MMC为半桥子模块和全桥子模块各占50%的混合型MMC时,系统具有较强的交直流故障穿越能力。针对整流侧交流系统严重故障下半桥子模块和全桥子模块电容电压不平衡的问题,提出一种改进的环流控制策略。改进的环流控制策略通过检测MMC的运行工况,调整环流控制器的参考值,从而使桥臂电流具有正负交替的特性。其次,提出基于虚拟电阻和电流指令限值的故障暂态电流抑制策略,能够抑制故障穿越期间交直流电流的振荡,确保系统安全稳定运行。基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建LCC-MMC混合直流输电系统,仿真验证了所提控制方法的有效性。     

双半桥与并联全桥子模块混合MMC均压与直流故障控制研究

子模块混合型模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter HVDC,MMC-HVDC)兼具直流故障穿越能力和较好的经济性,然而当子模块数目众多时,面临控制器排序均压计算量大和传感器实时性要求高等问题。该文针对由双半桥子模块和并联全桥子模块构成的新型混合MMC,分析其并联均压特性,在此基础上提出新型混合MMC的阀段间和阀段内均压控制策略;通过分析子模块闭锁特性,设计直流故障控制策略。在PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果表明,采用所提均压控制策略可在有效降低对控制器性能和传感器精度要求的前提下,实现新型混合MMC子模块电容电压全局良好均衡,并验证了直流故障穿越控制策略的有效性。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。     

具备直流故障穿越能力的混合MMC可靠性分析和冗余配置方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)已经成为高压直流输电领域具有很大应用前景的换流器技术。目前已有许多具有直流故障穿越能力的MMC子模块(sub-module,SM)拓扑,并且由不同类型的SM构成的混合MMC同时具备了较强的直流故障箝位能力和低投资、低损耗的优点。重点研究具备直流故障穿越能力的混合MMC的可靠性分析和冗余配置方法,首先研究同时满足支撑直流电压和直流故障穿越能力的混合MMC中两类不同拓扑子模块的初始临界数目比例,进而同时考虑半导体器件的有效利用率及MMC的可靠性,通过计算三维曲面的一阶差分,提出两种子模块的最优冗余配置方案,最终得到具备直流故障穿越能力的混合MMC中子模块的最优配置方案。以实际工程参数为基准,分别计算两种混合MMC的最优子模块冗余配置方案,与采用单一可切断直流故障电流子模块拓扑的MMC相比,在满足可靠性需求的前提下,混合MMC所需器件数目明显降低。     

计及直流侧大电感的MMC建模与控制

在直流侧串联限流电抗器的模块化多电平换流器高压直流输电系统中,对于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)其直流侧存在一个等效大电感,传统的控制策略不能满足暂态过程中MMC直流侧电流和子模块电容电压的动态需求。针对这个问题,文章提出一种MMC内外部电流解耦控制和子模块电容能量分层平衡控制的新型控制策略。该方法将MMC桥臂电流分解成直流侧电流、交流侧电流和相间环流,实现MMC内外部电流的解耦独立控制,通过控制MMC的直流侧电流、相间环流的直流分量和正负序基频分量完成对子模块电容能量的分层平衡控制。在Matlab/Simulink仿真软件中构建计及直流侧大电感的MMC仿真模型,并进行验证。仿真结果表明,当MMC直流侧包含大电感时,所提改进建模和控制方法能显著提高其直流侧电流和子模块电容能量的暂态性能。     

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。     

柔直电网阀侧单相接地故障过电压产生及影响因素研究

在真双极柔性直流输电系统中,虽然换流变压阀侧交流单相接地故障出现的概率较低,但是一旦发生,直流侧会产生严重的过电压。文中研究了柔性直流输电系统模块化多电平换流器(MMC)阀侧发生单相接地故障时的过电压特性及产生机理。首先,分析闭锁前后MMC桥臂子模块电容的充放电回路,对桥臂过电压和健全极线过电压的产生机理进行研究。随后,基于厦门柔性直流输电系统,对阀侧单相接地故障特性分析的准确性进行验证,并仿真分析闭锁延时对过电压的影响。结果表明,桥臂子模块电压的升高是由于直流线路分布电容的放电作用,健全极线过电压是由于闭锁前子模块电容的放电以及闭锁后交流侧电压的充电作用,闭锁时间越短,健全极线和故障相子模块电容过电压幅值越低。     

基于新型四电平子模块拓扑的多电平整流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)基于其模块化的结构,能够在较低的开关频率下输出更高电压电平数来逼近正弦波形,使得其在高压大功率直流输电系统应用背景下比传统电压源换流器更可行。传统MMC子模块可以输出0、1两种电平,而本文提出了一种能够输出0、1、2、3四种电平的新型子模块拓扑结构,在换流器需要达到相同输出电平数的条件下,基于新型子模块的MMC级联子模块数量仅仅为基于半桥子模块MMC的2/3,能够可观的减小换流站体积。同时,IGBT开关数量相比半桥子模块MMC系统减少了1/6。在Matlab/Simulink中将最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略及改进的电容电压均衡策略应用于新型子模块拓扑,仿真结果验证了其有效性。     

混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越策略分析和比较

针对半桥/全桥子模块和半桥/单极性全桥子模块这2类混合型模块化多电平换流器(MMC)的非闭锁型直流短路故障穿越问题,首先提出了满足故障穿越要求的2类混合型MMC的最优子模块配比方案.其次基于恒定可控MMC总能量控制,提出了混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越控制策略,使混合型MMC在故障穿越期间具备无功补偿及子模块电容电压均衡的能力.最后从故障穿越效果及代价等方面,对这2类混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越策略开展了对比分析,为混合型MMC及非闭锁型直流短路故障穿越策略在柔性直流输电工程中的应用提供借鉴与参考.