采用电抗子模块分段投切的模块化多电平换流器降电容方法

模块化多电平换流器(MMC)子模块电容的电容电压波动使得电容值难以降低,阻碍了MMC换流阀轻型化的发展。在考虑了2次和4次相间环流的基础上,分析了子模块电容电压与桥臂电流相互影响的机理。为了降低子模块电容电压的波动水平,提出了一种以子模块形式分段投切桥臂电抗器的降容方法。分析了子模块电容电压波动的产生机理,分析了电抗子模块分段投切降容方法的原理,并设计了相应的控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)模型,验证了所提降容策略的有效性,并与现有的环流抑制策略进行了对比分析。     

特定次谐波注入抑制模块化多电平换流器电容电压波动

模块化多电平换流器（MMC）电容电压波动抑制有助于降低电容器体积/重量,降低换流阀设备投入成本。推导了换流阀子模块电容电压波动分量及影响因素,分析了二倍频环流注入、三次谐波注入对子模块电容电压波动及换流阀的影响,提出的特定次谐波注入方法,可显著降低换流阀子模块电容电压波动,且桥臂电流峰值和有效值控制在允许范围内。以张北柔直工程参数为例,通过PSCAD仿真比较了环流抑制为零、二倍频环流注入、特定次谐波注入情况下的电容电压波动、桥臂电流有效值和桥臂电流峰值,验证了所提方法的正确性和有效性。     

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。     

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。     

采用桥臂电抗投切控制的MMC降电容运行方法

随着柔性直流输电技术的发展,换流阀轻型化的需求日益迫切,对子模块电容电压纹波幅值的要求决定了电容值的降低比较困难,是影响换流阀轻型化的关键因素之一。根据基频、二倍频分量在子模块电容电压波动中占主导的特点,提出一种通过控制桥臂电抗值的方式降低子模块电容电压波动的策略。设计了桥臂电抗投切电路和投切控制策略,并从数学原理上对比分析了所提策略与现有环流抑制控制策略的不同之处与优势。在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端直流输电模型,验证了所提降容策略的有效性。最后从经济性角度对所提策略及现有环流抑制策略进行了对比分析,表明所提策略具有良好的经济性。     

高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化控制策略

混合型MMC存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部IGBT损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是换流器可靠性的薄弱环节。为此,本文提出一种器件损耗分布优化控制策略。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性,确定损耗优化的主要目标。其次,根据损耗计算公式,明确降低半桥子模块电容电压方法可用于降低其下部IGBT的损耗。然后,通过三次谐波电压注入,初步降低半桥子模块的电容电压,再通过桥臂输出电压指令值差异化分配,进一步降低半桥子模块的电容电压,进而最大程度减小其下部IGBT损耗,实现器件损耗分布优化。最后,通过MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验验证,证明了所提控制策略可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,能够提高换流器的整体可靠性。     

一种基于环流注入的全桥型MMC降容优化设计

为降低全桥型MMC各子模块电容体积,提高全桥型MMC功率密度,基于调制比和环流对电容电压波动影响机理,提出一种特定相位及幅值环流注入的方法,降低了各子模块滤波电容电压波动。为验证所提方法的正确性,在额定工况及单位功率因数条件下,对所提方法进行了仿真实验,仿真结果表明,采用新的降容措施后,电容电压波动范围缩小20%,纹波系数减小至30%,电容容量减小20%。     

降低MMC子模块电容电压纹波幅值的方法综述

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)将在直流电网的发展中发挥重要作用,通过控制和拓扑的方式降低MMC中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对模块电容器容值、体积、成本的需求,是实现直流系统换流器轻型化设计的必由之路。该文首先分析MMC中子模块电容电压的波动产生机理,揭示电压波动与相间环流的耦合作用机理;其次,对国内外学者在降低MMC电容电压纹波幅值方面的研究现状进行分类阐述,指出附加控制方法和改进拓扑方案各自的优缺点。最后,对MMC轻型化设计研究领域未来的研究方向进行展望,指出附加控制方案更具工程实用价值,为最大化降低电容电压纹波幅值,需要对不同的拓扑和控制类方案进行联合使用。     

模块化多电平换流器桥臂电流分析及其环流抑制方法

为了抑制模块化多电平换流器(MMC)内部环流,对MMC桥臂电压的波动和环流产生的机理进行了分析,提出了一种抑制环流的补偿控制方法。MMC在进行功率交换时,由于桥臂电流的作用,导致子模块电容电压发生周期性的变化,采用平均值的方法分析得出子模块电容电压包含直流分量和交流分量。采用最近电平调制法进行换流器电压调制,由于子模块电容电压含有直流分量以及基频分量偏差,导致桥臂电压与期望值间存在基频偏差和二倍频等分量,从而产生环流。通过对桥臂电压与期望值的偏差量进行补偿,能够消除桥臂电压的偏差,从而抑制换流器桥臂间的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了11电平MMC双端直流输电系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

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。     

基于MMC的柔性直流输电电容电压波动抑制方法

经过分析模块化多电平换流器上下桥臂电流成分以及子模块电容电压波动特性,计算桥臂子模块电容2倍频电流,提出了一种抑制柔性直流输电电容电压波动的方法。该方法通过向桥臂中注入2倍频电流来抑制电容电压波动。设计了2倍频谐波注入控制器,通过控制桥臂中2倍频环流的大小来达到最优化减小子模块电容电压波动。通过PSCAD仿真比较了环流抑制为零和注入二次谐波情况下的电容电压波动大小,并对电容电压波动进行了谐波分析,验证了所提出方法的正确有效性。     

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。     

不平衡电网电压下的MMC子模块电压波动抑制方法

为降低模块化多电平换流器(MMC)对子模块电容的需求,有必要抑制子模块的电容电压波动。电网三相电压不平衡情况发生时,会加剧MMC中子模块的电容电压波动。首先分析了电网电压不平衡时MMC子模块电容电压的波动特性,进一步分析了三次谐波注入对子模块电压波动的影响;重新设计了三次谐波电压注入的幅值和相角,使其能在不平衡工况下有效实现降低电压波动的目标;设计了相应的波动抑制策略;最后,在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真,验证了所提注入方案的有效性。     

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。     

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,选取最优调制比,使目标函数电容电压纹波达到最小化,从而在一定电容电压波动率下使其电容取值达到最小化。采用所提方法可以使子模块电容容值的需求降低至常规方法的22%,变换器功率损耗降低至常规方法的87%,而开关管电流应力与现有方法相比只增加0.5%。RT-LAB实时仿真结果验证了所提理论的正确性和可行性。     

基于数学分析的抑制模块化多电平换流器电压波动的子模块电容参数设计

远海风电场经MMC-HVDC联网具有一定的技术优势,子模块是模块化多电平换流器(MMC)的重要组成部分,其参数关系到换流器的安全稳定运行。文中在MMC的稳态数学模型基础上,推导了子模块电容能量波动的关系式,以数学分析的方法证明了换流器工作在静止无功补偿方式时模块电压波动最大,设计了全工况下满足电压波动率要求的子模块电容取值,并指出了考虑风电功率波动的子模块电容取值。仿真以南汇柔性直流输电示范工程为背景,验证了发生直流电压极值时换流器的运行方式,以及所设计的电容参数对换流器工况的适应性。     

模块化多电平变流器子模块电容老化状态在线监测及均衡策略

模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter, MMC)中电容老化程度高的子模块投切频率更大、损耗更高,危害子模块的安全运行。针对这个问题提出一种用于MMC的电容老化状态在线监测及均衡策略。通过电容电压变化与电容值的关系对电容老化状态进行在线监测,测量子模块电容间的相对值;根据测量的结果,在排序中引入虚拟电容电压,降低老化严重子模块的开关频率,延缓电容的使用寿命;仿真结果表明文中所提策略能够在不影响电容电压平衡的前提下有效降低老化严重子模块的开关频率,而且不用对子模块单独加装额外传感设备、不使用复杂算法,适用于子模块较多的场合。