基于电路等效变换的二极管箝位式模块化多电平换流器电磁暂态并行仿真模型

针对模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）常规电磁暂态仿真模型计算资源消耗较大的问题,基于电路等效变换原理,提出了二极管箝位式模块化多电平换流器电磁暂态仿真的并行等效模型。首先将换流器子模块等效为受控源,实现子模块与换流器主电路的解耦,便于应用并行计算方法;其次根据子模块电路结构预先分析出各种可能的工作模式,以避免开关动作时重新生成计算矩阵,便于根据桥臂电流与开关状态等信息实时计算出模块端口电压。对一个12电平MMC换流器的仿真结果,验证了所提方法的有效性以及该等效模型的正确性。     

模块化多电平换流器快速能量等效建模

为解决模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)电磁暂态仿真效率低的问题,提出一种针对MMC桥臂及子模块等效的快速能量等效模型,具有建模过程简单,方法可靠的优点。通过对MMC桥臂进行受控源等效,保证换流器的外部特性一致,并使得桥臂与子模块间电气解耦;再利用桥臂与子模块只有二次信息交换的特点,对子模块进行开关简化与能量等效建模,简化了仿真电路,减少电路中的非线性元件。在PSCAD/EMTDC仿真平台上对所提仿真建模方法进行验证,对比详细模型提速效果可以达到1736倍以上,结果表明所提快速能量等效模型的有效性,能够保证高仿真精度,并在仿真效率上极大的提升。     

单端口子模块MMC电磁暂态通用等效建模方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中子模块(submodule,SM)的数目因工程需求正不断增加,且各种功能先进结构复杂的子模块拓扑正不断涌现,虽然已有MMC模型可大幅提高仿真效率并保证很高的仿真精度,但是已有的模型大都基于半桥和全桥子模块建立,通用性较差。为此,针对任意单端口子模块构成的MMC,以戴维南等效模型和嵌套快速同时求解算法为基础,提出一种通用的电磁暂态等效建模方法。所提出的建模方法本质上是将子模块内部节点的信息转移到外部节点以消去内部节点,从而获得降阶后的子模块诺顿或戴维南等效电路,在等效电路进行一个步长的求解之后,可以通过反解迅速更新全部子模块的内部信息。该方法统一了戴维南模型的参数求解过程,对任意结构的单端口子模块构成的MMC具有很强的通用性。同时提出一种增强型的单端口双半桥子模块拓扑,并利用所提通用算法在PSCAD/EMTDC中搭建增强型双半桥子模块MMC的等效模型,仿真验证所提模型的精度和加速比,计算各种工况下的最大相对误差,对比分析所提模型和EMTDC仿真模型的谐波误差。     

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快速电磁暂态仿真模型

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电磁暂态仿真耗时过长的问题,提出了2种MMC快速仿真模型。通过分析MMC子模块原理,提出将MMC桥臂等效为自定义数值计算模块与受控电压源组合的数值计算详细模型;并在该模型的基础上设计了一种将独立子模块电磁暂态模型和一般子模块数值计算模型结合的混合模型仿真方法,弥补了数值计算模型难以模拟子模块电磁暂态过程的缺陷。为了进一步提高模型的仿真速度,通过简化MMC的电压均衡控制及子模块状态的差异性,建立了数值计算平均值模型。在PSCAD/EMTDC上搭建MMC-HVDC模型,对所提出的快速仿真模型及仿真方法的有效性进行了验证。     

基于可关断器件电力电子装置纳秒级开关暂态实时仿真技术研究

为实现全面的装置特性分析和物理测试,介绍了基于可关断器件电力电子装置多动态混合实时仿真方法和仿真平台实现方案。在ns级仿真模块中建立绝缘栅双极晶体管(IGBT)受控源模型,针对基于开关特性曲线嵌入法求解IGBT开关暂态过程进行仿真试验验证。试验内容涵盖半桥型、全桥型模块化多电平换流器(MMC)子模块全部工作状态,试验结果验证了基于开关特性曲线嵌入法的ns级开关暂态实时仿真方法的正确性和完整性。该仿真方法反映了IGBT开通关断细节的小步长仿真,可用于装置物理特性分析、控制系统闭环测试、器件级保护策略验证等方面的研究。     

混合型MMC非闭锁型直流故障穿越的故障等效模型

由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型MMC相比全桥型MMC能够在降低成本的同时具备直流故障穿越能力,直流故障暂态分析是混合型MMC器件选型和配比设计的基础。为分析混合型MMC直流侧故障的暂态特性,建立了额定运行状态下和降压运行状态下发生极间短路的混合型MMC非闭锁型直流故障穿越过程的故障等效模型,分析了直流故障穿越期间混合型MMC各桥臂子模块的动态投切过程,将非闭锁型直流故障穿越控制策略切换前的暂态过程等效为不可控的子模块电容放电过程,将控制策略切换后的暂态过程等效为带有电感初始储能和反向电压源的限流过程,并给出了直流侧短路电流的解析计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了本文所提模型和计算方法的有效性,能够为混合型MMC的优化设计提供参考。     

混合型MMC的改进桥臂平均值与状态空间模型

混合型模块化多电平换流器(MMC)包含半桥与全桥子模块是MMC的通用形式。混合型MMC的常规桥臂平均值模型将半桥与全桥子模块动态视为一致，未考虑两者电容电压可能存在的差异，不能精确描述混合型MMC的动态特性。文中首先考虑半桥与全桥子模块动态特性差异，构建等效电路；其次，提出模拟桥臂调制信号在全桥与半桥子模块间非线性分配的算法，与等效电路共同组成混合型MMC改进桥臂平均值模型。在此基础上，考虑半桥与全桥子模块电气量高次谐波，推导混合型MMC电气部分在dq同步坐标系下的微分动态方程；基于桥臂参考电压非线性分配算法和分段求解方法，推导半桥和全桥子模块等效参考电压解析表达式；建立混合型MMC在dq同步坐标系中的模块化状态空间模型。最后，以测试系统为例，在PSCAD和Simulink中对比详细开关模型与所提模型的暂稳态波形，验证了所提建模方法的有效性和准确性。     

具有直流故障自清除能力的新型MMC子模块及其混合拓扑

针对传统半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)在高压大功率领域不能通过换流器自身控制来实现直流故障的阻断问题,提出一种新型的类半桥型(Similarity Half Bridge Sub-Module,SHBSM)子模块拓扑结构。直流侧发生极间短路故障时,需同时闭锁所有IGBT脉冲信号。为降低IGBT触发一致技术要求,进一步提出一种类半桥-半桥混合型子模块,无需所有IGBT同时闭锁。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的类半桥型子模块,类半桥-半桥混合型子模块MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。相比于传统半桥型子模块MMC,类半桥型子模块MMC以及半桥-半桥混合型子模块MMC均无需增加IGBT的投入,即可以实现对直流侧故障电流的有效阻断,因此,具有较好的应用前景。     

柔性直流配电网MMC子模块级联数量优化设计

MMC(模块化多电平换流器)子模块级联数量是MMC工程的主要参数,也是工程设计的重要内容之一。基于杭州江东新城智能柔性直流配电网示范工程的实际需要,对SNOP(柔性多状态开关)三端MMC桥臂子模块级联数量进行了工程设计,提出了MMC桥臂子模块数量设计原则,针对全桥型MMC直流侧电压与交流侧电压不匹配的情况,提出了全桥型MMC桥臂子模块数量的设计方法。采用所提设计方法的示范工程已顺利投运,进一步验证了该方法的有效性。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

MMC通用快速仿真模型及其在多端直流系统中的应用北大核心CSCD

为了研究复杂交直流网络下模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)与电网的交互影响问题,本文提出了一种普遍适用于多种拓扑变化的MMC通用快速仿真模型。首先,利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构,得到桥臂通用简化电路,实现了MMC的动态特性和控制行为的准确模拟;其次,通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值,计算出桥臂动态平均值,避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解,实现了仿真效率的提升。基于PSCAD/EMTDC平台,验证了所建立仿真模型的仿真精度和仿真速度;最后,应用MMC通用快速仿真模型,研究了多端柔性直流系统的关键控制策略和直流故障保护问题。     

MMC通用快速仿真模型及其在多端直流系统中的应用

为了研究复杂交直流网络下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)与电网的交互影响问题,本文提出了一种普遍适用于多种拓扑变化的MMC通用快速仿真模型。首先,利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构,得到桥臂通用简化电路,实现了MMC的动态特性和控制行为的准确模拟;其次,通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值,计算出桥臂动态平均值,避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解,实现了仿真效率的提升。基于PSCAD/EMTDC平台,验证了所建立仿真模型的仿真精度和仿真速度;最后,应用MMC通用快速仿真模型,研究了多端柔性直流系统的关键控制策略和直流故障保护问题。     

一种具有直流故障限流能力的模块化多电平换流器

为解决传统半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法限制直流故障电流的问题,提出一种改进型子模块的MMC拓扑。与传统半桥型子模块拓扑不同,交流输出端口增加了阻断IGBT及其旁路吸收回路。本文首先分析改进型子模块的工作原理,在此基础上开展基于该子模块的MMC的故障限流机理及其主要功率开关器件的电气应力的研究,并通过仿真算例对所提出的拓扑进行了验证。仿真结果表明基于改进型子模块的MMC拓扑在原有正常模式下不需要改变控制策略与调制策略,而在故障阶段能够迅速实现故障电流阻断效果,通过引入旁路吸收回路,进一步降低了对电路触发脉冲一致性的要求,因此在未来高压直流输电系统领域具有良好的工程应用前景。     

应用于复杂交直流网络的箝位双子模块型MMC快速仿真模型

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在复杂交直流网络中有广阔的应用前景。随着MMC容量和电压等级的提高,MMC的暂态行为对复杂交直流网络的影响不能忽略,有必要建立适用于复杂交直流网络仿真研究的MMC快速仿真模型。针对箝位双子模块型MMC拓扑建立了快速仿真模型。利用辅助元件对桥臂电路结构进行了简化;通过动态计算可控电压源,对桥臂内部复杂的子模块开关动态过程进行了平均化处理,避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解。上述快速仿真模型不仅能够准确地模拟MMC在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等动态过程中的特性,而且具有较高的仿真效率。通过与基于分立元件的详细仿真模型进行对比,验证了所提模型的仿真精度和仿真效率。     

双端口子模块MMC电磁暂态通用等效建模方法

针对一种新型并联全桥子模块构成的模块化多电平换流器(paralleled full bridge sub-module MMC,PFB-MMC)拓扑,提出一种适用于任意新型双端口MMC的电磁暂态通用等效建模方法。传统单端口子模块MMC的等效算法要求全部子模块流过相同的桥臂电流,这对双端口MMC不再适用。针对这一问题,适用于双端口MMC的迭代求解算法被提出。MMC桥臂中全部子模块的内部节点和模块间的互联节点均被迭代消去,整个桥臂在电磁暂态解算器中被等效成仅含4个外部节点,尽管在这一过程中求解的步骤有所增加,但依然能够完整保留各桥臂全部的内部信息。对降阶导纳矩阵进行求解后,即可完成之前被等效消去的节点信息例如电容电压、连接节点电流的更新。因此,该文提出的建模方法,能够在精确仿真系统内、外部动态特性的同时,大幅提高其电磁暂态仿真速度。在PSCAD/EMTDC环境中验证所提出模型的精度和加速比。     

基于同步开关预判的半桥型VSC快速电磁暂态建模方法

现代电力系统存在大量的半桥型电压源变流器,采用传统电磁暂态仿真程序对其进行大规模仿真分析时,存在耗时高、效率低的问题.以半桥子电路为开关状态判断的基本单元,通过分析其开关状态变化时二极管的续流及关断过程,得出普适于半桥型电压源变流器的同步开关预判方法.该方法可在当前时步通过逻辑判断直接得出稳定的开关状态组合,消除了迭代计算.结合同步开关快速预判方法及内节点收缩方法构建了半桥型电压源变流器的快速仿真模型,通过对比仿真,验证了快速仿真模型具有与全详细化模型相当的仿真精度,且能有效减少仿真耗时,提高仿真效率.与全详细化模型相比,针对80模块固态变压器的快速仿真模型可加速20倍.     

混合型模块化多电平换流器启动冲击电流特性分析及控制策略

启动控制是模块化多电平换流器(MMC)正常运行的基础。半桥型和全桥型子模块构成的混合型MMC,在预充电阶段存在电容欠电压且电压不均衡现象,导致换流阀受控充电解锁后出现桥臂过调制和冲击电流。该文首先针对混合型MMC的拓扑结构,分析半桥型和全桥型子模块预充电电压特性及其等效电路,提出两类模块电容电压计算方法。利用全桥型子模块负电平输出特性,提出一种交流侧受控充电启动策略,能够在电容欠电压条件下避免换流器过调制从而抑制冲击电流。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了换流阀启动特性的正确性和所提出的启动控制策略的有效性。     

模块化多电平变换器基于钳位和能量转移电路的可直通子模块拓扑

为提高模块化多电平变换器(MMC)的可靠性,提出一种具有上下开关管直通能力的子模块拓扑结构,该拓扑结构由半桥电路、钳位电路和能量转移电路三部分组成。钳位电路保证了子模块电压的稳定输出,能量转移电路保证了子模块电容的充放电平衡。该拓扑结构不仅允许上下开关管直通,而且不需要电容电压平衡控制策略,具有自平衡能力,简化了系统的结构和软件计算量,提高了可靠性。介绍子模块电路构成、工作原理及控制方法。基于五电平单相实验平台验证所提出的基于子模块拓扑结构的MMC不仅可容许子模块桥臂直通,而且无需采用环流抑制措施即可实现低交流环流运行。     

具备直流故障电流阻断能力的MMC改进型拓扑的快速仿真算法

模块化多电平换流器(MMC)主要采用半桥子模块(HBSM),但HBSM不能阻断直流故障电流,为此,国内外提出了多种具有直流故障电流阻断能力的MMC改进型拓扑。为了提高各MMC改进型拓扑的仿真效率,基于各改进型拓扑基本工作原理,研究了几种典型改进型拓扑的戴维南等效模型,该模型考虑了模块闭锁后桥臂残余电流的影响,提出了改进型拓扑闭锁后的模块电容电压修正方法,并与基于真实开关器件的详细模型进行了仿真对比。仿真表明,提出的改进型拓扑的戴维南等效模型与详细模型的仿真结果一致,能正确仿真MMC闭锁后的故障响应,而仿真时间大大缩短,该仿真模型有良好的研究和应用前景。