模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析

新型模块化多电平换流器(MMC)在直流输电和电能变换领域得到了广泛的研究与应用。但是,由于子模块采用了半桥型拓扑,在直流侧线路故障时,MMC不具有直流故障自清除能力。文中在不改变现有MMC调制和均压策略的前提下,利用续流二极管反向阻断特性和桥臂模块电容充电效应,设计了改进复合拓扑结构,解决了半桥拓扑中电容单向充电问题。通过分析闭锁时储能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系,定义了反映子模块故障抑制能力的电流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同,设计了自励启动方法。仿真结果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。     

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.     

基于模块化多电平变流器的STATCOM的研究

模块化多电平变流器(MMC)在高电压、大功率领域拥有诸多优点,提出一种MMC应用于静止无功补偿器(STATCOM)的控制策略。与H桥级联拓扑相比,MMC因具有正负直流母线,灵活性和适用性更广。设计了MMC子模块电容电压的分级式均压控制策略,包括相间电压均衡控制策略和独立电容电压均衡控制,减小子模块电容电压的波动,维持直流电压稳定。引入一种新的MMC拓扑结构来进行环流抑制,避免了进行负序二倍频坐标变换和相间解耦的复杂控制,实现对环流的有效抑制。基于Matlab/Simulink的仿真结果和实验结果共同表明了所提控制策略的有效性和可行性。     

基于模组解耦控制的高调制比混合型MMC电容优化方法

高调制比混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)子模块电容的均压控制方法借鉴半桥型MMC,全桥及半桥子模块电容的充放电行为存在强耦合,导致半桥子模块电容电压波动率较小,给电容值的优化带来挑战。为此,文中首先计算高调制比下两类子模块的电容电压波动率,以明确半桥子模块电容值的优化空间。进一步,提出全桥及半桥模组平均开关函数的设计原则,考虑子模块电容电压瞬时最大值的约束,实现半桥子模块电容值的优化。然后,在现有MMC基本控制框架下,提出基于模组解耦的控制策略,实现电容电压动态的准确控制。最后,在MATLAB/Simulink中搭建混合型MMC的仿真模型,对所提电容优化方法进行验证。仿真结果表明:所提电容优化方法不仅可以实现对全桥及半桥子模块电容电压直流分量和纹波分量的控制,还可降低半桥子模块电容值。     

模块化多电平换流器改进拓扑结构及其应用

模块化多电平换流器(MMC)作为实现多电平换流器的一种新的拓扑结构,具有高度模块化、维护间隔长、输出波形谐波含量低等优点,因此在中高压电能变换和高压直流输电领域得到了广泛的应用和研究。而传统的半桥型子模块结构在直流侧发生故障的时候,由于所并联前向二级管原因,当IGBT闭锁时,不能够实现直流侧故障电流的阻断功能,从而对其应用带来了一定的不利影响。本文总结了现有的子模块拓扑结构的特点,通过分析MMC直流侧故障时桥臂电流与模块电容的充放电关系,对传统的半桥型子模块拓扑结构进行了改进,设计了串联双子模块闭锁拓扑结构,从而在不影响控制策略的基础上实现了直流侧故障电流阻断功能。最后以改进型拓扑结构为例,搭建了仿真模型,对直流侧故障特性以及相应的控制策略进行了分析验证。     

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。     

可有效抑制子模块电容电压波动的新型HMMC

模块化多电平变换器(MMC)己在直流输电、电机控制等领域得到广泛应用,电容数量以及电容电压波动是影响MMC成本与性能的主要因素。提出了一种用于中压场景下的混合模块化多电平变换器(HMMC)的改进拓扑结构,在原有的HMMC上、下桥臂之间插入了一种新型的中间模块,通过3次谐波电压以及梯形桥臂电流的注入来减小桥臂上子模块电容上的电压纹波,提高变换器调制比。同时,通过控制所提出的新型中间模块,消除由于3次谐波电压注入引起的交流侧共模电压,提高交流输出侧相电压波形质量。与现有结构相比,所提出的新型中间模块器件数量较少,对于不同桥臂电流控制方式有良好的兼容性。最后通过Matlab/Simulink仿真结果以及实验验证了新型串联电容HMMC的有效性。     

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。     

基于混合子模块的新型模块化多电平直流融冰装置

在分析电网直流融冰和动态无功补偿功能需求的基础上,提出了桥臂采用半桥子模块和全桥子模块以组成混合子模块多电平换流器的直流融冰装置方案。为了确保直流融冰电压的连续可调,提出了每个桥臂中半桥和全桥子模块数量的具体计算方法,该方法与全桥模块化多电平换流器方案相比最多可以节省1/6的开关器件,同时,提出了混合子模块的电容电压平衡控制策略。最后通过PSCAD/EMTDC软件进行了仿真验证,证明了所提拓扑结构和控制策略的正确性和有效性。     

考虑异质器件混用与输出电平倍增的混合型MMC及其调控方法

首先,为提高模块化多电平换流器(MMC)输出波形质量、降低装置运行损耗,提出一种基于Si和SiC器件组合应用的混合型模块化多电平变换器(HMMC)拓扑结构。该拓扑每个桥臂包含N个Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的半桥子模块,每相交流侧串联一个直流侧电压为半桥子模块一半的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)全桥子模块,整体经济性较好。其次,提出一种面向输出电平数倍增的HMMC高、低频混合调制策略,并充分发挥SiC MOSFET开关损耗低的优势,在减小HMMC输出谐波的同时降低整体运行损耗。此外,分析混合调制策略下HMMC异质子模块直流侧能量的波动规律,提出一种高、低频模块直流侧电压稳定控制策略。最后,仿真和实验验证了所提HMMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将所提HMMC、基于单一器件MMC和现有HMMC在损耗和成本方面进行综合对比,证明了该方案在降低损耗和减小成本方面优势显著。     

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。     

特高压柔性直流阀组投入过程中混合型MMC启动充电策略

在基于两个阀组串联构成一极的特高压柔性直流输电系统主接线方案中,为了实现混合型模块化多电平换流器(MMC)阀组的在线投入并简化其操作流程,混合型MMC需具备在直流侧短接情况下完成启动充电的能力。首先分析了直流侧短接时混合型MMC在不控充电阶段的工作原理,发现该阶段所有半桥子模块始终处于旁路状态,其自取能电源无法启动。为解决这一问题,提出了一种基于负向电流支路部分子模块切出的可控充电控制策略。该方法不仅可保证半桥子模块电容能够串入回路中进行充电,而且可维持子模块间的电压均衡,并最终将其电容充电到额定电压附近。最后,在仿真模型以及实验样机上验证了所提策略的有效性以及性能分析的正确性。     

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。     

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。     

一种单相MMC预充电控制策略

模块化多电平换流器(MMC)的预充电通常可分为两个阶段:不控整流以及boost升压。三相MMC的boost升压控制技术已经较为成熟。然而与三相MMC不同的是,单相MMC的直流侧具有独立电容。因此,单相MMC的boost升压阶段必须同时考虑子模块电容和直流侧电容,这是单相MMC预充电的难点所在。文中提出了一种基于单相半桥子模块(HBSM)的预充电策略。该策略的第一阶段仍为不控整流,第二阶段通过上下桥臂的能量之和与能量之差的控制来实现子模块电容的boost升压。之后,直流侧电容电压被交流侧持续馈入的能量充到额定值。该控制方案使整个启动过程快速、平滑、稳定,对单相MMC做整流运行具有重大价值。最后,所提方案的有效性及正确性在一台单相8个子模块的实验样机上得到了验证。     

混合型模块化多电平换流器的模型预测控制方法

混合型模块化多电平拓扑是由传统模块化多电平拓扑在每个桥臂上增加一个H桥模块构成。对于混合型模块化多电平换流器(MMC),基于比例积分(PI)控制器的双闭环控制策略需要多个参数控制器且具有参数整定复杂、对控制参数敏感等问题。为此,结合子模块电容电压排序算法与H桥模块控制算法,提出一种基于模型预测控制的分层控制策略,该方法通过建立相对应的指标函数对交流侧电流、环流与子模块电容电压进行分层控制,从而确定各子模块与H桥模块的开关状态。与传统控制方法相比,该方法原理简单、无需考虑复杂的参数整定且可使系统具有良好的动静态性能。最后搭建了混合型模块化多电平换流器的仿真平台,仿真结果验证了所提控制策略的有效性与正确性。     

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。