具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块：移位全桥子模块（OCFBSM）。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。     

具备阻断直流故障电流能力的MMC钳位双电容子模块

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是柔性直流输配电领域的优选拓扑之一,但其传统半桥子模块(half-bridgesubmodule,HBSM)不具备阻断直流故障电流的能力。为此,推导了一种基于双向开关的钳位双电容子模块(clamp dual capacitor submodule,CDCSM),该子模块包含两个电容,能够输出3个电平,通过将电容引入故障回路可实现对故障电流的快速阻断。与其他能够阻断直流故障电流的子模块相比,CDCSM具有一定的成本优势,且运行损耗较低。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,CDCSM-MMC可快速阻断直流故障电流,且故障后电容电压较为均衡,有利于MMC的快速重启。     

基于负直流电压控制的MMC快速无闭锁故障穿越策略

传统半桥子模块无法阻断直流短路电流,基于新型子模块的闭锁式故障穿越策略则存在换流器不可控、系统重启过程复杂等缺点,降低了模块化多电平换流器的可靠性。为此提出了一种基于负直流电压控制的无闭锁故障穿越策略,在直流侧短路后通过调制波下移将直流电压控制为负值,从而实现直流故障电流的快速清除。此外,针对无闭锁故障穿越过程中输出正负电平子模块之间电容电压不均衡的问题,提出了双排序控制算法以实现电容电压的快速均衡,同时设计了从故障发生至换流器重启整个过程中系统的无闭锁故障穿越流程。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,基于负直流电压控制的无闭锁穿越策略可快速阻断直流故障电流,在此过程中子模块电容电压保持均衡,可实现换流器的快速重启。     

基于新型子模块的MMC实验系统设计

提出一种新型子模块拓扑,该子模块不仅具备直流故障电流阻断能力,同时还具备内部电容之间的自均压能力。对于同等电平输出的不同子模块拓扑,该子模块仅需一半的电容电压测量装置,不仅降低了应用成本,还减轻了控制器排序算法压力。实验结果表明,该子模块能够快速清除直流侧故障电流,同时在正常及故障工况下,该子模块内部电容电压都能保持较好的均衡。     

具有直流故障阻断能力的电容嵌位子模块拓扑及其特性

针对半桥子模块无法清除直流故障电流的问题,提出了一种具有直流故障阻断能力的新型电容嵌位子模块拓扑。正常运行时,子模块中各IGBT均衡导通,无需采用具有特殊通流能力的附加功率器件;当发生直流故障时,闭锁子模块中所有IGBT通过子模块中的电容提供反向电压来阻断交流系统能量的馈入。IGBT闭锁后,利用二极管的单向导通性抑制桥臂电抗器的续流作用,具有较强的故障电流阻断能力。在PSCAD/EMTDC仿真平台上进行了仿真分析,验证了提出的电容嵌位子模块比全桥子模块、箝位双子模块具有更好的直流故障阻断能力。     

具备闭锁和非闭锁模式抑制直流故障电流的新型模块化多电平变换器拓扑

现有直流线路短路故障电流抑制方法存在抑制速率与经济性的矛盾。该文提出了可在闭锁和非闭锁两种模式下低成本实现直流故障电流快速抑制的模块化多电平变换器（MMC）子模块拓扑,即五电平钳位交叉子模块（FLCCSM）结构;分析了闭锁和非闭锁抑制模式下的直流故障穿越过程;解析了在两种抑制模式下满足故障穿越条件的子模块电容投入到故障回路的配置数量;提出了电容成组投切的均衡控制策略以提升其均压效果。Matlab/Simulink仿真结果表明,FLCCSM-MMC在闭锁模式下能将直流故障电流快速抑制到零,主要用于处置直流永久性故障。在非闭锁模式下能将桥臂电流快速抑制到小于2倍桥臂电流额定值,非闭锁模式下MMC仍具有输送一定功率的能力,适用于处置直流瞬时性故障,且故障前后电容电压保持均衡。FLCCSM-MMC具有故障电流抑制速度快、可靠性高、器件成本低、运行损耗小的优势。     

基于桥臂电流控制的MMC改进电容电压均衡控制策略研究

子模块是模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)交直流之间能量交互的缓冲环节,在稳态、暂态下子模块电容电压保持均衡对于MMC不间断运行至关重要。首先,分析电网故障对无变压器MMC内部动态特性以及对交直流侧电压电流的影响。其次,为了提升MMC电容电压控制性能,提出一种基于桥臂电流控制的MMC改进的四层结构子模块电容电压均衡控制策略,包括子模块全局电容电压平均值控制、相间电容电压平衡控制、上下桥臂电容电压平衡控制和桥臂内子模块电容电压平衡控制,由此得到内环桥臂电流控制的电流指令值。最后,通过仿真研究和样机实验验证所提控制策略的可行性和有效性。结果表明：所提的控制策略在交流电网不对称故障和直流极对极短路故障下均能保持MMC子模块电容电压的均衡,并有效地消除交流侧谐波电流和桥臂内部的正序、负序及零序交流环流。     

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。     

基于电容电流状态估计的MMC多管开路故障诊断方法

目前，模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)多管开路故障定位方法存在故障阈值难选择、计算过程复杂、需增加额外检测环节等难题。为了解决上述问题，文中基于故障状态下子模块电容电流实际路径与理论路径对比分析，提出将子模块电容电流的理论值和实际值误差作为新的故障诊断特征。采用无模型、鲁棒性强的最小二乘支持向量机最小二乘支持向量机(least square support vector machine,LSSVM)网络作为新的故障定位方案，实现子模块多管开路故障的快速定位。所提方法通过建立子模块电容电流估计方程，基于一阶欧拉近似原理，可通过子模块电容电压估计其电流值，无需增加额外的电流传感器。且相较于现有基于电容电压的故障特征，该特征可在电容电压未严重偏离正常值时，快速反映子模块故障状态。最后，通过Simulink仿真和StarSim硬件在环实验平台，验证所提故障定位策略的有效性。     

一种能够清除直流故障和减少传感器数量的MMC子模块及其特性研究

针对模块化多电平换流器(MMC)的直流故障清除问题,提出了一种新型的局部自均压组合电容型子模块。该子模块的拓扑结构具备故障自清除能力,并且能够利用不同工作模式的投切,自动实现子模块内部电容电压的均衡,即每一个新型子模块只需一个电压传感器对其进行监控。利用MATLAB/Simulink对基于新型子模块的MMC在正常状态和直流侧短路故障状态进行仿真,仿真结果表明相比于传统的N电平m相半桥型MMC需要2m(N-1)个电压传感器和2m个电流传感器,所提出的基于新型子模块的MMC所需电压传感器的数量以及参与控制的电压信号数量均减少一半,降低了系统硬件成本,减少了控制器运算负担,提高了系统稳定性;同时,当系统发生直流侧短路故障时,由于子模块具备故障自清除能力,能够阻断交流系统与故障点的电流通路,实现直流故障的闭锁。     

适用于少子模块混合型MMC直流故障穿越的均压调制策略

针对混合型模块化多电平换流器(HMMC)在中低压场景子模块个数受限以及直流故障穿越期间的电容电压平衡问题,提出适用于少子模块HMMC直流故障穿越的调制技术以及直流故障穿越期间的电容电压平衡控制方法。从虚拟半桥子模块角度对全桥子模块拓扑进行解耦,统一HMMC的内部拓扑。基于虚拟调制改进载波移相脉宽调制方法,提出适用于HMMC多工况运行模式切换的混合调制技术。进一步考虑直流故障穿越期间的子模块电容电压平衡需求,基于优化子模块充、放电能量分布的思想,重构脉冲映射关系,提出分层脉冲自适应平衡控制方法。仿真结果表明,所提策略实现了少子模块HMMC直流故障穿越,并有效保障了直流故障穿越过程中子模块的动态电容电压平衡。     

基于三电平子模块的倍电平复合式MMC变换器

为了降低模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的接线复杂度和通信失效故障概率,ABB提出了采用压接式IGBT串联的级联两电平CTL(cascaded two-level)变换器。由于桥臂子模块数由数百降为几十,CTL变换器输出电压电平数较少,需要在交流侧安装滤波器。为此,提出了基于三电平TL(three-level)子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC(voltage-level-doubler hybrid MMC)。每个桥臂有TL、半桥HB(halfbridge)子模块混合组成,且交流侧串联有一个全桥FB(full-bridge)子模块,输出电压电平数提高了1倍,从而省去了交流滤波器。各子模块具有脉冲自主触发功能且其功率开关由压接式器件串联组成,降低了桥臂子模块数,简化了控制器与主电路之间的接线复杂度,降低了通信故障的概率。单个功率开关短路故障不会影响系统正常运行,并且可避免了子模块电容的过度放电,保护电容器和功率开关,提高变换器的可靠性及故障穿越能力。所提拓扑结构实现了直流故障穿越运行,为HVDC换流站的设计提供了技术参考。     

新型模块化多电平DC-DC变换器拓扑及其工作机理分析

针对目前模块化多电平DC-DC变换器拓扑结构及其主要采用的交流平衡控制方法所带来的问题,基于直流控制思想,提出了一种新型模块化多电平DC-DC变换器拓扑。通过重构一种全桥子模块结构,每个子模块电容同时包含两条充放电路径,相邻子模块间通过形成局部的并联支路实现电容间电能传递和电容电压自平衡,避免了子模块电容在单向直流电能变换导致的电压失衡。通过对变换器的平衡机理及其基本工作原理分析、仿真实验验证,结果表明所提出的变换器在直流控制方式下能够稳定运行,子模块电容电压具有自平衡能力,变换器电压变比范围大,具有适用于不同应用场合直流输配电的应用潜力。     

具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC

具有直流故障阻断能力的模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输配电技术的重要支撑设备.针对传统半桥型MMC无法阻断直流短路故障的问题,通过结合现有的故障阻断方案,提出了具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC.该拓扑增加了断流支路、桥臂阻断支路以及能量吸收支路.直流故障发生后,通过断开断流支路,一方面主动转移故障电流...     

一种新型的n +1混合式模块化多电平换流器拓扑结构及其控制策略

针对中压应用场合,提出一种新型的n+1混合式模块化多电平换流器(HMMC)拓扑结构。在传统单桥臂n个子模块的模块化多电平换流器(MMC)基础上,加入1个全桥子模块,使其电容电压控制为半桥子模块的一半,实现输出电压电平数由原先的n+1增长至2n+3。针对其结构提出一种混合式调制方式,在保证HMMC稳定工作的基础上,降低HMMC子模块的工作开关损耗。由于全桥、半桥子模块电容电压不一致,采用一种电容预充电方式,并对子模块电容电压建立数学模型,提出一种子模块电容电压平衡的控制策略。在MATLAB/Simulink软件中搭建仿真模型,仿真结果验证了所提拓扑结构和控制策略的有效性和正确性。     

基于主动电压抬升的光伏全直流汇集与送出系统网侧故障穿越策略

光伏(PV)全直流汇集与送出系统中,高压直流(HVDC)侧发生短路故障导致功率消纳能力下降,光伏无法及时感知故障而功率不变,导致系统过压停运。为解决此问题,提出了一种基于主动电压抬升的故障穿越策略,当高压直流变压器高压侧子模块电压上升到某一水平时,增加中压侧投入的子模块总数以提升中压直流电压,配合具有故障态P-V下垂特性的最大功率点跟踪(MPPT)装置,实现子模块未过压情况下最大功率点跟踪进入限功率模式,实现高压直流变压器端口功率平衡,达到降低子模块过压、完成故障穿越的效果。对所提策略下HVDC变压器子模块过压进行了分析,并仿真验证了策略的有效性和必要性。     

MMC-HVDC输电线路双端非同步故障测距方法

提出了一种基于模块化多电平变换器的高压直流(MMC-HVDC)输电线路双端非同步故障测距方法。首先,通过分析MMC-HVDC系统直流侧线路故障时的电流环路,将跳闸后的双端MMC的两侧环路分别等效为RLC串联电路,并先后控制双端MMC桥臂子模块的投入,为两侧RLC串联电路提供一个初始电压;然后根据RLC电路的零输入响应特性,分别提取双端MMC子模块电容电流的最大值以及该时刻的电压;最后利用双端非同步测量的数据计算故障距离。该方法不依赖于电容的初始电压,并且不受过渡电阻影响,可重复测量,提高了测距的可靠性。在PSCAD/EMTDC中搭建了21电平的MMC-HVDC模型,并对所提故障测距方法进行仿真,验证了其有效性。     

一种输入串联输出并联双有源桥变换器输入电压自平衡结构

输入串联输出并联(input series output parallel, ISOP)双有源桥(dual active bridge, DAB)变换器的输入均压(input voltage sharing, IVS)主动控制策略存在控制系统复杂和传感器数量较多的问题。相反地，无源调控方法的控制系统简单，因而具有明显的优势。基于无源均压思想，提出一种适用于共占空比控制的基于耦合电容的ISOP-DAB变换器的输入电压自平衡拓扑结构，通过耦合电容使得子模块的高频链环节产生电气耦合，从而实现子模块输入电压的均衡。进一步，给出含有耦合电容的ISOP-DAB变换器的简化等效电路，并进行理论分析与推导，得到子模块输入母线电压偏差及耦合电容电流与变换器硬件参数的关系。理论计算表明该拓扑在子模块参数存在较大的偏差时仍然具有较好的IVS能力。最后，仿真和实验结果验证该拓扑的可行性和有效性。     

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...