一种优化的模块化多电平换流器电压均衡控制方法

模块化多电平换流器(MMC)的各个子模块间的电压均衡问题,是MMC拓扑的难点之一.本文在采用最近电平调制方式的基础上,对按子模块电容电压排序后,根据桥臂电流方向直接选择相应子模块触发的传统电压均衡方法进行了改进,引入子模块间最大电压偏差量,有效避免了因排序算法导致的同一IGBT不必要的反复投切现象,从而在保证各子模块电...     

基于双队列的模块化多电平换流器子模块调制方法

模块化多电平换流器的子模块调制技术是该拓扑的主要技术难点之一。传统策略中,需实时检测桥臂所有子模块的电容电压,并进行全排序。若子模块数量较多,会对控制器性能产生较高要求,并产生控制延时,影响换流器安全稳定运行。为此,提出了一种基于双队列的模块化多电平换流器调制方法。在初始时刻建立桥臂的投入队列和切除队列,电平变化时根据当前时刻桥臂电流的方向及桥臂子模块的最大电压偏差,对上一时刻的投入队列和切除队列进行调整。该方法无需对子模块电容电压进行排序,在保持较低开关频率的基础上大大降低了系统运算时间。在PSCAD/EMTDC中搭建了相应的仿真模型,仿真结果证明了该策略的可行性和有效性。     

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块（半桥、全桥结构子模块）的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25％的IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在PSCAD仿真环境中搭建基于NLM的11电平两端MMC—HVDC输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。     

模块化多电平换流器子模块均压电阻参数优化策略

子模块的均压电阻在模块化多电平换流器(MMC)启动过程中起均压作用,同时在停运过程中作为电容的放电电阻,但目前缺乏均压电阻参数设计的理论依据和优化策略。通过优化子模块仿真模型引入均压电阻和取能电源相关参数;分析了均压电阻参数在MMC启动过程中对子模块电容均压的影响,阐明了均压电阻过大时电容均压效果劣化的机理;同时修正了MMC停运后子模块电容放电时间的计算方法;最后提出满足电容均压、放电时间和功率要求的均压电阻参数优化策略和具体设计步骤。依托厦门柔性直流输电工程给出均压电阻参数设计实例并进行相关试验,试验结果验证了所提均压电阻参数优化策略的有效性。     

考虑子模块均压约束的混合型模块化多电平换流器功率极限分析

混合型模块化多电平换流器具备降压运行和不闭锁穿越直流故障的能力,子模块均压约束是其降压运行时对稳态功率运行范围起主要限制的运行约束。从满足子模块均压约束的换流器桥臂电流和桥臂电压的特性出发,分析了混合型模块化多电平换流器在降压运行时的功率极限运行范围。提出了快速确定混合型模块化多电平换流器可行功率运行域的计算方法。通过对比解析扫描计算的结果和电磁暂态仿真共同验证了计算方法的准确性和有效性。分析了全桥子模块比例对功率运行极限范围的影响。从功率运行能力的角度提出了全桥子模块最小比例的设计方法。     

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。     

一种减少电压互感器的模块化多电平换流器分组控制策略

针对模块化多电平换流器(MMC)需要配置大量电压互感器的问题,提出一种减少电压互感器的分组控制策略。该控制策略将每个桥臂的2N个子模块按照2~0,2~1,2~2,…,2~(N-1),2~0分成N+1个子模块组。将每组的子模块作为一个整体,开关状态保持一致,并且配备一个电压互感器,用于测量每组的电容电压。根据这种结构设计相应的电容电压平衡控制方法、均压控制方法和调制方法。电容电压平衡控制采用PI调节器稳定各组子模块的电容电压;均压控制用来保持组间子模块电压平均值均衡;调制方法用来确定各个模块组的通断状态。该分组方法极大地减少了电压互感器的数量,降低MMC系统的造价。最后通过在Matlab/Simulink平台上搭建三十三电平的三相MMC仿真模型进行证明,并搭建九电平单相MMC实验平台,进行实验验证,结果表明了该分组控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略

模块化多电平换流器(MMC)因具备模块化、调度灵活等优势得到广泛应用.然而,逆变工况下,MMC子模块上下管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的损耗分布不一致,导致子模块内各器件的寿命差异大,而系统可靠性取决于寿命最低的器件,因此,子模块器件的可靠性将严重威胁到换流器的安全可靠运行.为此,文中提出了一种MMC子模块IGBT损...     

模块化多电平换流器子模块电容电压平衡改进控制方法

为减少子模块开关动作次数和换流器损耗,提出了一种模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的子模块电容电压平衡改进控制方法。采用最近电平调制方式,每个控制周期内按电容电压大小对处于投入状态和切出状态的2组子模块分别进行排序;根据需要投入的子模块数量和当前处于投入状态的子模块数量,对投入和切出的子模块状态进行改变;根据设定的电容电压允许偏差值、可进行调换的子模块数量,对投入和切出的子模块进行对调。仿真算例结果验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略

阐述了模块化多电平换流器(MMC)子模块故障类型,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块故障、直流电容故障和控制信号故障。分析比较了3种子模块冗余容错方案的优缺点,选择采用对MMC影响较小的子模块热备用的冗余容错方案。该方案的缺点是MMC运行于不对称状态,导致MMC直流电流出现波动。为此,在推导MMC冗余运行状态的基本数学模型、得出桥臂能量数学表达式的基础上,提出了基于桥臂能量平衡的冗余容错控制策略来抑制直流电流的波动。在时域仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了61电平MMC模型,仿真结果验证了提出的冗余容错控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器的子模块冗余配置计算方法

模块化多电平换流器(MMC)的子模块(SM)冗余配置问题是MMC工程应用急需解决的难点之一。文中对MMC及其SM结构进行了阐述,分析了SM和MMC的可靠性,提出了一种有效的MMC的SM冗余配置计算方法,并提供了SM的2个工程冗余参考值。当MMC的SM冗余配置数量在这2个冗余参考值之间时,冗余SM的增加能够使MMC的可靠性更快增加,在此基础上定义了冗余和可靠性指标,用其可以衡量不同MMC的冗余SM的可靠性效率。最后,通过工程实例计算证明了所提出的MMC的SM冗余配置计算方法和所定义指标的合理性和有效性。     

模块化多电平变流器子模块电容的设计方法

研究模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)中桥臂的功率特性,并求得桥臂的瞬时功率解析表达式和MMC稳态运行时流过桥臂电流的直流分量。通过研究桥臂的等效充放电电路,求出充放电电流的解析表达式,并据此导出电容电压波动分量的解析表达式。根据电容电压波动分量的表达式,画出电容电压波动分量的幅值与调制比和功率因数角的关系曲线,并分析波动分量的来源及特性,求取波动分量的幅值与调制比和功率因数角的解析表达式,进而提出电容大小的设计方法。通过算例验证了电容电压波动分量的表达式和电容设计方法的正确性。     

一种模块化多电平换流器分布式均压控制策略

应用于柔性高压直流输电领域的模块化多电平换流器,其桥臂级联功率模块数量通常多达数百个;而现有的阀控系统电容排序均压策略存在运算量大、硬件实现困难等问题。针对该问题,首先提出了一种分布式模块电压均衡控制策略;然后通过将桥臂中的功率模块分组,把桥臂电容电压平均值作为参考值。分组模块电压平均值作为反馈值,对各分组功率模块导通数动态调整,在保证电压均衡效果良好的前提下,有效降低控制系统处理器的运算量。该策略中所有功率模块均能实现故障冗余,而不会降低换流器整体冗余能力。最后在PSCAD/EMTDC中构建HVDC系统进行仿真验证,仿真结果证明了该策略的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器的子模块电容电压分层均压控制法

为了提高高电平模块化多电平换流器(MMC)均压控制的排序速率和降低换流器的开关损耗,提出了一种适用于高电平MMC的子模块电容电压分层均压控制法。首先,根据桥臂电容电压最值确定电压分层容器,并根据排序的计算复杂度和均压控制效果对分层数进行讨论;然后,根据电容电压大小将子模块放入对应的分层容器,根据桥臂需投子模块个数和桥臂电流方向进行优化排序,确定各子模块的投切;最后,引入容器重新划分判据以减少计算量,即如果任一一个投入子模块的电容电压变化值小于容器的电压间隔,则不重新分层。PSCAD/EMTDC中21电平MMC系统的仿真结果表明,提出的均压控制法能够提高均压控制排序的速率和减少不必要的容器内排序,同时降低绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关损耗。     

模块化多电平换流器子模块级联数量优化设计方法

针对模块化多电平换流器(MMC)直流电压等级可能会与交流侧电网电压等级不匹配的问题,提出了一种桥臂级联子模块数量的优化设计方法.通过该方法,可以在换流器直流侧电压和交流侧电压不匹配时直接将换流器接入较低电压等级的交流电网,减少桥臂所需的子模块级联数目,同时避免使用交流变压器,以降低换流站成本和占地.通过设计实例说明了所述方法所带来的优势,并通过PSCAD/EMTDC仿真验证了采用所提出优化设计方法时的MMC在调制方法和电压平衡控制策略上的可行性.     

适用于大规模MMC的分布式控制系统及两级均压策略

在高压大功率应用场合,模块化多电平换流器(MMC)每个桥臂子模块数量较多,造成其控制系统硬件构成复杂、协调控制困难。文中提出一种适用于大规模MMC的模块化结构的分布式控制系统:该控制系统由一个主控制单元和若干个桥臂控制单元构成,每个桥臂控制单元又由若干个阀组控制单元组成,每个阀组控制单元只控制较少数量的子模块。该结构有效降低了主控制单元和桥臂控制单元的控制压力,易于实现与扩展。针对该控制系统,提出一种包含阀组间均压和阀组内均压的新型均压策略。在三相41电平MMC实验样机上对所提出的控制系统及均压策略进行了验证,实验结果证明了所述控制系统的可行性及均压策略的有效性。     

基于RTDS的模块化多电平换流器子模块等效模型

采用模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电是目前最具前景的直流输电方式。MMC系统需要大量的子模块串联,这给实时仿真带来巨大挑战。文中在实时数字仿真仪(RTDS)中采用CBuilder建立了自定义子模块rtds_SM,不仅能够减少RTDS仿真中MMC子模块的占用资源,还能解决已有的MMC封装模块不能用于研究MMC系统子模块发生故障的特性及其控制保护策略的问题。对子模块中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、反并联二极管、电容进行建模,实现了用于子模块控制和保护的旁路开关以及旁路晶闸管模型。所建立的rtds_SM具有8个输入和2个输出,能反映子模块的各种运行工况以及子模块的电容均压控制。仿真结果表明,提出的MMC子模块模型占用仿真资源小且仿真精度高。