采用载波移相调制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的底层控制策略,研究载波移相调制(carrier phase-shift modulation,CPSM)方法及相应的直流电容电压平衡控制策略。首先,以桥臂为单位设计CPSM策略,推导出保证桥臂输出特性不变的约束条件;其次,从理论上分析控制子模块直流电容电压的原理,揭示出桥臂的能量自然平衡状态,进一步提出电容电压的附加平衡控制。在10 kVA实验室样机上进行的稳态和动态实验,验证了所提控制策略的有效性。CPSM结合电容电压附加平衡控制方法,可以使各子模块的开关频率确定,不引起额外的开关损耗,并能够避免计算量过大的问题。     

采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

模块化多电半换流器（modularmultilevelconveer,MMC）是应用于电压源换流器直流输电（voltagesourceconverter-highvoltageDC,VSC．rrvoc）的新型多电平换流器拓扑。该文介绍了MMC的拓扑结构及相应的工作原理。针对该新型换流器拓扑的特点及其在高压直流输电领域中的应用,提出一种新颖的适用于模块化多电平换流器的载波移相调制策略（carrierphase．shiftedSPWM,CPS．SPWM）。与其他调制策略相比,该策略动态调节能力强,且使MMC在较低开关频率的同时,亦具有良好的谐波特性。换流器中子模块的电容电压平衡问题,是MMC亟待解决的难点之一。该文根据子模块能量均分和电压均衡两种原则,结合换流器拓扑结构特点和调制策略,提出一种子模块电容电压平衡控制策略,有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围。仿真结果验证了所提策略的正确性与有效性。     

一种混合型模块化多电平换流器的改进载波移相调制方法

混合型模块化多电平换流器(MMC)桥臂中既包含半桥子模块,又包含全桥子模块,原有载波移相调制方法并不适用。文中在分析子模块混合型MMC拓扑结构工作原理及其调制方法的基础上,提出了一种适用于混合型MMC且带电容电压均衡策略的改进载波移相调制方法。在PSCAD/EMTDC中搭建了详细仿真模型,仿真结果证明了该调制策略的有效性。     

采用载波移相调制的模块化多电平换流器损耗一致性分析

阐述了模块化多电平换流器的基本工作原理和损耗数值计算方法,应用PLECS仿真软件针对半桥子模块结构,分析了载波移相调制下不同均压、环流抑制方式下的子模块损耗特性,认为在不影响换流器工作状态的前提下,使用能量均衡法均压以及使用三相解耦二次谐波环流抑制算法进行环流抑制时,各子模块损耗分布一致性更高,整体损耗率更低。通过比较,还发现不同工况下的子模块损耗一致性接近。最后,对比了载波移相调制与最近电平控制调制方式下的损耗一致性,认为载波移相调制下子模块损耗一致性更高。     

基于载波移相调制的模块化多电平换流器冗余保护策略

模块化多电平换流器(MMC)桥臂中冗余子模块的存在是换流器可靠运行的重要保障,能够避免子模块故障时换流器无法正常运行甚至可能退出运行的风险。为此,分析了不同调制策略下冗余保护的换流器损耗,并基于此提出了基于载波移相调制的新型冗余保护策略。该策略在故障后根据子模块的运行状态进行载波动态分配,无需记录载波量;可通过改变载波来切换冗余子模块和未故障子模块的运行状态,优先为冗余子模块充电;同时,引入电容电压优化控制,以保证附加载波控制时桥臂的电容电压波动较小,降低相间环流和维持控制器的稳定。7电平和101电平MMC系统的仿真结果验证了所提冗余保护策略的有效性和通用性,且对系统控制稳定性影响较小。     

基于移相载波的模块化多电平换流器控制方法研究

模块化多电平换流器(MMC)是一种适用于轻型直流输电系统(VSC-HVDC)的新型换流器,笔者在分析其原理的基础上研究了MMC的运行特性,并搭建了数学模型。文中所提出的MMC控制方法采用了移相载波调制策略(CPS-SPWM)的思想,针对MMC的电容电压均衡问题,通过算法重新分配子模块触发脉冲序列,最后仿真验证了该方法的正确性和可行性。     

一种基于载波移相调制的模块化多电平换流器冗余策略

现有载波移相调制(CPS-SPWM)的模块化多电平换流器(MMC)冗余策略在切除故障子模块的过程中冗余子模块电容电压恢复缓慢,针对此问题,本文提出了一种MMC子模块电容电压热冗余策略。该策略在非故障运行状态下,按照一定的时间间隔从所有子模块中按规律选择正常运行个数的子模块,其余子模块则处于冗余状态,以使得所有子模块电容电压都维持在参考值附近。当子模块发生故障时,切除故障子模块,剩余子模块仍按非故障运行状态运行,无需单独为冗余子模块充电。同时针对含有冗余模块的MMC系统,提出了分组预充电策略,在控制系统复杂度较小的条件下,通过调节每组充电的子模块个数,使得所有的子模块电容电压都能够充至额定值。在PSCAD/EMTDC中建立了双端MMC模型验证了所提出策略的有效性与实用性。     

模块化多电平换流器的电容电压平衡方法

为解决模块化多电平换流器(MMC)在采用载波移相调制时的电容电压平衡问题,提出一种基于载波交换的平衡方法。该方法位于调制层,不改变子模块的调制波,既不影响输出电压波形,也不会产生额外的开关损耗。首先详述了MMC的拓扑结构、工作原理以及调制方式;分析了开关状态交换时可能会出现的4种情况,分别是存在上升沿时桥臂电流大于0或小于0和存在下降沿时桥臂电流大于0或小于0;给出了具体的电容电压平衡方法及流程图。实验结果表明,所提方法可快速有效地将桥臂的电容电压集中在参考值附近,且各路电压之间无大幅波动,具有很好的平衡效果。     

模块化多电平换流器电容电压新型优化平衡方法

针对传统电容电压平衡方法计算量大、器件开关频率较高的问题,提出一种适用于MMC-HVDC系统的直流电容电压新型优化平衡方法。首先分析了传统排序算法存在的问题并给出其优化方法,提出采用随机选择算法进行MMC均压排序,以大幅度地优化排序效率。在此基础上,提出基于随机选择算法的电容电压优化平衡方法,根据引入的重新排序判据,使MMC控制器在电容电压变化不大的控制周期避免排序并保持触发脉冲不变,在需要排序的控制周期采用效率更高的随机选择算法排序,从而既进一步减少了控制器运算量,又能有效降低换流阀损耗。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了所提优化平衡方法的可行性和有效性。     

模块化多电平换流器电容电压平衡并行排序方法

针对模块化多电平换流器(MMC)存在的电容电压均衡问题,从实际工程出发,采用了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的并行全比较电容电压实时排序算法。基于RT-LAB在环半实物仿真平台进行了实验。结果表明,该算法实现了电容电压的排序并行处理,排序运算只需要4个时钟的运算时间,且运算时间不随桥臂子模块数量而变化,达到了实时性排序的效果。此外,该算法遵循了避免不必要的开关动作的原则,降低了器件的开关频率和开关损耗。     

模块化多电平换流器电容电压改进排序平衡方法

针对含有大规模子模块的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)直流电容电压平衡问题,提出一种基于改进排序的电容电压平衡方法。基于传统排序电压平衡方法中的排序环节要求对桥臂内所有子模块电容电压进行排序,计算延时严重影响电压平衡控制的动态响应。以避免投入组和切除组组内元素排序为目的改进快速排序算法,每趟排序均选择第m个位置的记录作为基准值,通过判断使下一趟排序只在被划分后的一个区域上递归;采用数学归纳法证明改进快速排序算法的时间复杂度为O(n)。考虑MMC子模块电容电压连续两个控制周期变化规律后,提出采用改进的快速排序算法排序之前按照上个控制周期的排序结果排列电容电压能够进一步减少比较次数。最后,通过计算机随机实验验证改进快速排序算法的时间复杂度并搭建两端401电平MMC-HVDC仿真模型验证所提电压平衡方法的可行性和有效性。     

模块化多电平换流器闭环均压策略研究

模块化多电平换流器(MMC)以其模块化结构、易于扩展及无需变压器等优点成为近年来的研究热点.子模块电容电压的稳定对MMC稳定运行至关重要,然而MMC各子模块电容电压均衡是MMC的难点.这里介绍了一种基于环流控制桥臂总能量和上下桥臂均衡能量的闭环均压控制方案.通过桥臂总能量控制器和能量均衡控制器来均衡子模块电容电压,确保子模块电容电压处于相同变化范围,保证MMC稳定运行.基于该策略搭建了单相五电平Matlab仿真和实验平台.实验和仿真结果验证了所述闭环均压策略的有效性.     

模块化多电平换流器的分频均压控制策略

随着模块化多电平换流器(MMC)子模块个数的增多,传统基于排序的均压方法存在开关频率偏高和排序计算量偏大的问题。为此提出了分频均压控制策略,使电容电压排序频率远小于触发控制频率,并从理论上给出了此控制策略的排序频率选取方法。通过厦门柔性直流输电示范工程的电磁暂态仿真算例验证了所提出的分频均压控制策略在一定范围内减小排序频率时,可以在满足MMC的运行性能及安全性的前提下,明显减小开关频率和减轻排序计算负担。     

模块化多电平换流器电容电压优化平衡控制算法

介绍了模块化多电平换流器(modularized multilevel converter, MMC)的拓扑结构及其工作原理,针对 MMC 子模块电容电压平衡问题,提出了一种新型的适用于采用载波移相正弦脉宽调制技术的 MMC 电容电压优化平衡控制算法,其本质是调整子模块的导通时间以对其电容电压进行动态调节.分别定义了在系统工作点附近具有相对稳定性的环流抑制系数以及电容均压系数,对子模块调制波进行纵向调整,有效确保 MMC 子模块电容电压的动态平衡;同时给出了环流抑制系数和电容均压系数的优化目标,以期得到理想的电容电压平衡控制效果.仿真结果验证了所提算法的正确性与有效性     

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。     

一种改进的模块化多电平换流器电压平衡方法

基于排序的子模块电容电压均压方法是目前应用于大容量模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型高压直流输电系统的主流均压方式,存在排序运算量大、开关频率高等缺陷,带来较大的硬件投入,降低MMC运行可靠性。针对上述问题,引入时间复杂度更低的基数排序,结合MMC运行特点,去除冗余关键字,降低时间复杂度,在此基础上,根据控制器所需投入子模块数m,优化子模块全排序为寻求m个子模块,去除冗余运算,同时提出重排序判据,使MMC控制器选择性地排序,减少排序频度,增大原有触发脉冲维持时间,降低开关频率。最后,在MATLAB/SIMULINK搭建21电平MMC模型,仿真结果表明,改进基数MMC均压算法能在较好维持电容电压平衡的同时,大幅减少运算量,降低开关频率,验证了改进均压方法的可行性与有效性。     

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调制策略研究

模块化换流器是应用于电压源换流器直流输电的新型多电平换流器拓扑。介绍了MMC最近电平调制策略和载波移相调制策略的原理,以及相应的电容电压平衡控制策略。分析了2种调制策略下输出电压电流的谐波特性,结果表明具有高开关频率的载波移相调制策略具有更好的谐波特性。在PSCAD/EMTDC中进行了仿真,验证了理论分析的正确性。     

模块化多电平换流器调制策略对比

对比采用不同调制策略时模块化多电平换流器输出波形的特性。模块化多电平换流器的调制策略,根据是否需要对子模块电容电压排序,可分为计算投入子模块个数调制策略和载波相移调制策略2类。在同一电平数下,采用不同调制策略会对模块化多电平换流器输出波形的各次谐波分布和谐波畸变率产生明显影响。当电平数升高时,不同调制策略对谐波畸变率的减少量也不同。     

模块化多电平换流器混合调制策略

针对用于低压系统的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),提出了一种提高较低电平数下换流器输出波形质量的混合调制策略。采用最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)与脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)相结合的方法,在每个控制周期,以最近电平逼近的方法形成阶梯波,并在每一个阶梯波上引入PWM控制,形成阶梯波和PWM信号相叠加的换流器桥臂调制信号。该调制策略能够在提高换流器输出的波形质量和减少谐波含量的同时,降低调试算法运算量,有利于控制器的实现。通过对用于10 k V交流系统的9电平换流器进行仿真试验,验证了所提出的调制策略能使换流器具有较好的电压、电流输出波形,证明该调制策略的可行性与有效性。