MMC的电容电压纹波效应及其对换流器优化设计的影响分析

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)子模块上存在电容电压波动,是影响MMC分析和设计的重要因素。现有研究通常只关注电容电压纹波给器件电压应力和桥臂内部环流带来的影响,很少关注其对MMC交、直流端口输出特性的影响。揭示了电容电压纹波对交流输出电压和电容电压直流分量的影响机理,提出了基于标幺值的纹波效应偏差解析计算模型,可以根据运行工况准确求解出交流参考电压和子模块电容电压直流分量。在交流输出侧,计及纹波效应偏差影响可以扩大MMC线性调制区,提高MMC交流侧额定电压,降低桥臂额定电流。对于子模块电容电压,纹波效应给电容电压直流分量带来的偏差起到了降低电容电压峰值的作用,可以降低所需电容值。计及纹波效应偏差影响的参数优化可以使MMC的成本、体积和损耗都得到相应的下降,尤其是可以使电容用量得到大幅下降,使MMC的体积和成本得到显著优化。数字仿真结果验证了所提出的纹波效应理论及优化设计方法。     

降低模块化多电平换流器子模块电容值的控制方法

模块化多电平换流器(MMC)因必须对子模块电容电压波动范围进行限制,导致所需的子模块电容值较大,带来较大的成本和体积问题。提出了一种降低MMC所需电容容量的运行方式和参数设计方法。所提方法将子模块电容电压直流分量的实际运行值适当降低一定的比例,使电容电压波动的最大允许幅度增大,使选择较小的电容值成为可能。详细分析了所提方法的运行方式。为使所提出的降低电容容量的运行方式能够更好地实现,还提出了一种可以实现交流端口电流、直流端口电流和内部环流解耦控制的桥臂瞬时电流直接控制方法。通过这一方法可以直接控制换流器的内部环流分量,并能够动态调节各桥臂子模块电容电压。通过RT-LAB平台对所提出的运行方式进行了详细的仿真研究,验证了其可行性和有效性。     

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的直流内电势解耦控制方法

换流器的直流端口电压控制对于直流输电系统运行特性和稳定性具有重要影响。论文将模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的交流端口电流分量、直流端口电流分量和环流分量作为状态量,建立MMC的模型方程;提出对应于各电流分量的内电势的概念,并将内电势作为中间控制量,实现各电流状态量的直接解耦控制。所提出的方法可以实现直流内电势控制与子模块电容电压的解耦,并实现对直流端口电压快速直接的控制。最后通过仿真和物理试验证明了文中所提出的控制方法的可行性和有效性。     

一种降低MMC换流器子模块电容体积的方法

本文针对柔性直流输电工程子模块电容体积占比过高的问题,采用半桥子模块和全桥子模块相结合的方法,来抑制子模块电容电压波动量,使得子模块可以选取较低容值的电容,进而达到降低子模块体积的效果。通过推导桥臂能量公式,构建能量波动方程,得出能够使桥臂能量波动最小的调制比取值。为进一步降低电容电压波动,提出了相间电容电压互补的方法进行均压控制,以降低全桥子模块电容电压的波动。最后搭建了1 500 MW的±250 kV柔性直流数字仿真系统,采用纯半桥型换流站和半桥全桥混合型换流站进行对比仿真的方式,得出了本文提出的电容电压波动抑制方法可以使子模块电容值大幅度下降。     

柔性直流输电中子模块电容参数设计及其寿命终结判据

在柔性直流输电中,直流支撑电容是模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的关键组成部分,为子模块提供直流电压支撑,决定了子模块的电压波动范围。子模块电容的投资成本在整个系统中占了很大比例,因此电容值大小的选择对电容成本有较大的影响。本文从子模块电压稳态波动和直流系统动态响应速度两个方面考虑,对子模块电容的参数设计进行了研究。此外,当子模块电容量下降时,子模块的电容电压波动率和直流侧电压总谐波系数都会发生变化。本文在综合考虑这两种因素的情况下,通过PSCAD仿真研究,提出了直流支撑电容的寿命终结判据。     

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。     

一种降低MMC换流器子模块电容体积的方法

本文针对柔性直流输电工程子模块电容体积占比过高的问题,采用半桥子模块和全桥子模块相结合的方法,来抑制子模块电容电压波动量,使得子模块可以选取较低容值的电容,进而达到降低子模块体积的效果。通过推导桥臂能量公式,构建能量波动方程,得出能够使桥臂能量波动最小的调制比取值。为进一步降低电容电压波动,提出了相间电容电压互补的方法...     

MMC-HVDC三相解耦二次谐波环流抑制算法

随着模块化多电平换流器(MMC)高压直流输电工程电压等级和输送容量的大幅提升,其拓扑结构中的桥臂串联子模块数急剧增加,使得整个换流阀的控制系统更加复杂,子模块电容电压均衡及二次谐波环流抑制等技术问题将更加突出。如果采用传统的最近电平逼近调制(NLC)策略对换流器进行控制,MMC内部存在明显的二次谐波环流。为了抑制二次谐波环流,假设环流中只含有直流分量,根据换流器交、直流侧瞬时功率平衡,推导出直流环流电流的计算公式,进而分别求得上、下桥臂子模块电容电压的参考值,该参考值在一个工频周期内围绕某一恒定值呈周期性变化,可使得各子模块电容电压的不均衡程度明显降低,二次谐波环流得到有效抑制。与传统的NLC策略相比,文中算法可以降低子模块电容电压的波动幅度,改善交流侧输出电压、电流的波形。当电容器容值存在差异时,文中算法还可以减小容值较小的电容器投入运行的时间,延长其寿命。最后,仿真结果验证了文中算法的有效性。     

基于占空比主动调节的 钳位开关电容型DC/DC解耦控制策略

钳位开关电容型DC/DC(Clamping Switched Capacitors-based DC/DC,CSC)是构建具有直流故障自清除能力直流变压器的有效模块。由于传统控制策略下的CSC中直流电压与电容电压存在着耦合效应,直流电压的变化将直接引起电容电压与交流环节电压幅值的变化,使得CSC在两端直流电压不匹配时可能发生软开关丢失、电流应力增大、功率损耗增加等运行性能下降的现象。鉴于此,为改善CSC在直流电压不匹配时的开关及效率性能,提出了一种基于可变占空比的CSC电容电压解耦控制策略。该策略可以在CSC的整个运行范围内保证交流电压幅值的自动匹配,对于改善CSC的整体运行性能具有明显效果。基于试验样机,验证了所提控制策略的正确性与有效性。     

MMC功率运行区域分析及环流切换控制策略

通过对模块化多电平换流器(MMC)动态特性和控制机理的分析,提出基于系统容量、电容电压波动阈值以及最大瞬时调制比的功率运行区域确定方法,并通过该方法对环流抑制和环流注入控制策略在不同子模块电容配置下的功率运行区域进行了比较分析。该方法可以优化子模块电容参数选取,避免过度冗余设计。此外,提出基于电压预测的环流控制器,使在不同工作点下可根据分析结果直接进行最优环流控制模式切换。对某单一桥臂子模块数为20的MMC系统进行仿真研究,结果验证了所提功率运行区域分析方法及其环流切换控制策略的正确性和有效性。     

混合型模块化多电平换流器解析建模与功率运行区间分析

混合型模块化多电平换流器(MMC)在远距离大容量架空线输电领域具有十分广阔的应用前景。为定量研究混合型换流器的运行特性,文中提出了混合型MMC动态解析模型和稳态解析模型的建模方法。通过稳态解析模型求解与换流器内部电气量和控制量有关的非线性方程组,实现了在任意直流电压和功率运行点下换流器运行特性的完全解析求解。对比了不同直流电压水平下,电磁暂态模型仿真结果和稳态解析模型的计算结果,验证了稳态解析模型的精确性。研究了考虑多种运行约束条件时混合型MMC的功率运行区间计算方法,尤其考虑了半桥子模块的均压约束。计算了不同直流电压水平下的功率运行区间,分析了各约束条件以及子模块电容、桥臂电抗器、桥臂子模块比例等参数对功率运行区间的影响。     

负载不平衡条件下MMC-STATCOM补偿策略研究

文中介绍了静止同步补偿器(STATCOM)在电网中的无功补偿原理及电压补偿原理,针对传统STATCOM拓扑电平数提升困难问题,采用了模块化多电平换流器(MMC)拓扑的STATCOM补偿负载不平衡条件下的电压。针对传统平衡条件下的控制策略在负载不平衡时控制效果较差的问题,在正负序模型下对此无功补偿器进行分析并提出了采用将电压和电流分成正序和负序分别控制的分序控制策略,用解耦双同步参考坐标系的锁相环技术锁住公共连接点处电压,同时对MMC子模块电容电压平衡采用分布式控制,最后在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建五电平静止无功补偿器,通过仿真验证了分序控制策略和子模块电容电压分布式控制策略的有效性。     

向无源电网供电的MMC-HVDC稳态运行区域分析

柔性直流输电能够为无源电网供电,连接无源电网时,MMC功率传输极限有待深入研究。基于开关函数推导了dq旋转坐标系下的MMC详细解析模型,定量分析调制信号、桥臂电流、子模块电容电压波动和自身容量限制等约束条件对换流器输送功率极限的影响。研究表明换流器的功率输送主要受最大调制比和电容电压最大允许波动约束,而且子模块电容过小会明显降低MMC功率输送极限。投入环流控制器可使MMC较大程度地摆脱子模块电容电压的限制,提高为无源电网供电的能力。最后在PSCAD/EMTDC上仿真验证了稳态运行区域计算方法的有效性。     

基于子模块电压波动估计的MMC双环二倍频环流抑制策略

模块化多电平变换器以其优越的性能在大功率电能变换领域得到了广泛应用和研究。推导了MMC子模块电容电压波动和桥臂投入模块数的表达式,针对MMC环流控制器性能分析的多样性、复杂性和电压波动的计算问题,提出一种基于子模块电容电压波动估计前馈+电压电流双闭环反馈的复合环流控制策略,有效结合前馈控制的快速跟踪性和反馈控制的闭环跟踪性能,同时优化计算环节。所提方法包括四部分:子模块电容电压的前馈估算;基于小信号模型的二倍频环流电压指令计算;投入模块数的计算;子模块电容电压的排序及其投切。其中二倍频环流电压指令通过电压电流双闭环控制器获得,并通过等效闭环阻抗分析其动态性能,选取达到最佳抑制效果时合适的控制参数。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。     

基于改进型单周控制的MMC系统三相不平衡控制法

为了应对模块化多电平(MMC)系统在三相电网不平衡条件下的运行,本文提出了一种改进型单周控制法,在基本单周控制的基础上使用网侧负序电压来补偿MMC网侧电流反馈量,避免了三相电流的正负序转换运算。同时加入虚拟循环映射方案进行子模块电容均压。本方法相比现有的MMC不平衡控制策略,简化了控制环节,参数设计较为容易。三相电压跌落仿真结果表明,本文提出的控制方法不仅能够实现MMC在三相不平衡时的单周控制,降低直流电压中两倍于基频的谐波,使电网输出的有功功率趋于稳定,而且可以使子模块电容电压自动达到均衡,减少了系统的器件损耗。     

基于前馈解耦算法的单相电力弹簧功率控制

提出一种基于前馈解耦算法的单相电力弹簧功率控制策略,并以纯阻性负载为例,建立单相电力弹簧在不同坐标系下的数学模型。利用二阶广义积分发生器构建虚拟的正交电压和电流信号完成单相dq旋转坐标变换。针对单相电力弹簧自身结构的特殊性,提出在传统功率解耦控制双闭环的结构中引入额外的滤波电容电压内环,以达到对公共连接点输入有功功率和无功功率完全解耦的目的,并详细描述了电容电压内环的设计方法。最后,通过实验验证所提策略的有效性。     

模块化多电平变流器调速系统变频控制

模块化多电平变流器(MMC)凭借着诸多优势成为高电压大功率工况下的核心拓扑。但MMC变频调速系统运行于低频状态时存在桥臂能量分配不均衡、子模块电容电压波动严重等问题,不仅影响变频器全速域运行能力,甚至威胁系统安全。为解决上述问题,提出一种基于共模电压与偏置电压控制的MMC变频调速系统全速域运行方法,旨在通过控制系统各桥臂瞬时功率以快速抑制子模块电压波动。首先,构建系统数学模型,分析悬浮电容电压波动影响因素;其次,设计变频调速系统的低频控制器与在线模式切换环节;最后,为验证所提控制策略的可行性和有效性,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提控制策略能有效抑制MMC变流器子模块电压波动,完成不同频段平滑切换,降低系统损耗,改善系统输出品质,提升MMC系统安全运行能力。