采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

模块化多电半换流器（modularmultilevelconveer,MMC）是应用于电压源换流器直流输电（voltagesourceconverter-highvoltageDC,VSC．rrvoc）的新型多电平换流器拓扑。该文介绍了MMC的拓扑结构及相应的工作原理。针对该新型换流器拓扑的特点及其在高压直流输电领域中的应用,提出一种新颖的适用于模块化多电平换流器的载波移相调制策略（carrierphase．shiftedSPWM,CPS．SPWM）。与其他调制策略相比,该策略动态调节能力强,且使MMC在较低开关频率的同时,亦具有良好的谐波特性。换流器中子模块的电容电压平衡问题,是MMC亟待解决的难点之一。该文根据子模块能量均分和电压均衡两种原则,结合换流器拓扑结构特点和调制策略,提出一种子模块电容电压平衡控制策略,有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围。仿真结果验证了所提策略的正确性与有效性。     

从2010国际大电网会议看直流输电技术的发展方向

根据2010国际大电网会议与高压直流输电和电力电子技术对应的B4技术委员会发表的论文,探讨了直流输电技术的发展方向以及代表性的工程,论述了基于两端直流输电技术的多端直流输电技术、±1000kV及以上的直流输电技术、模块化多电平电压源换流器型直流输电技术、基于两电平级联式换流器型直流输电技术、混合式电压源换流器型直流输电技术以及基于电压源换流器的多端直流输电技术。     

可控电压源型柔性直流输电换流器拓扑综述

为分析不同可控电压源型柔性直流输电换流器拓扑结构的技术特点,围绕模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）,建立了基于几种可控电压源型换流器拓扑的柔性直流输电系统电磁暂态模型,结合PSCAD／EM’I＇DC的数字仿真结果,验证了所提出的换流器拓扑结构及其输电方案的可行性。     

电压源型多电平换流器高压直流输电综述

分析了目前高压柔性直流输电系统工程所用的各种电压源型多电平换流器的拓扑、工作原理和调制策略,比较了它们之间的优劣.重点介绍目前最新型的模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电中的应用,以及适合MMC的各种调制方法和在工程技术上使用的重点、难点.介绍了电压源型多电平换流器在目前世界上一些主要的柔性直流输电工程中的应用实例,并对电压源型多电平换流器的的应用前景进行了展望.     

基于F-MMC和LCC的混合型三极直流系统及其控制策略

现有的三极直流输电系统因极3采用晶闸管换流器而存在交流电压易波动、过渡阶段易引发过电压和过电流等固有缺陷。为此提出了一种改进式的混合型系统,即极3换流站改用基于全桥子模块的模块化多电平换流器。为使系统获得较好的响应特性,提出了无功(电压)平衡、电流平衡和子模块电容电压平衡3个控制要求,并根据控制要求给出了模块化多电平换流器采用改进直流电流控制和交流电压控制、子模块采用电容电压平衡控制等控制措施。利用时域仿真软件PSCAD/EMTDC对所提出的系统进行了仿真研究,仿真结果验证了所提出的混合型三极直流系统及其控制策略能够很好地实现系统电压平衡、电流平衡和子模块电容电压平衡。     

LCC-MMC混合直流输电系统直流回路谐振特性研究

针对一种在整流侧和逆变侧分别采用电网换相型换流器（LCC）和模块化多电平换流器（MMC）的新型混合直流输电系统,提出了直流回路的谐波模型。在整流侧采用三脉动谐波电压源,等效了12脉动换流器的谐波输出特性;在逆变侧使用电容串联电感的无源结构作为MMC直流侧等效电路,同时搭建了输电线路及直流滤波器相应的谐波模型。以单极混合直流输电系统为例,对该直流回路进行阻抗-频率扫描,计算出不同情况下该直流回路的谐波阻抗大小,从而对谐振情况进行判断。仿真结果表明：随着线路长度及滤波器组数的增加,谐振频率均有所降低。     

采用质因子分解法的模块化多电平换流器电容电压平衡优化算法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)子模块电容均压问题,是MMC型高压直流输电系统稳定运行的关键。当桥臂子模块数过多时,采用传统的排序均压算法将使电容电压排序运算量过大,这对控制器的硬件设计带来巨大挑战。针对传统均压算法的问题,提出了一种改进的电容电压平衡方法,通过对子模块分组,减少了电容电压排序运算量,同时采用一种组间电压平衡算法,解决了各组间电压不平衡问题。在此基础上,类比整数质因子分解思想进一步优化,得到电容电压平衡分组排序的最优化方法。在实时数字仿真器RT-L ab中搭建了模块化多电平换流器直流输电系统(modular multilevel converter high voltage direct current,MMC-HVDC)模型进行仿真验证,仿真结果表明,改进方法及最优化方法能在维持子模块电容电压平衡的同时,大大提高仿真计算速度,从而验证了所提出方法的有效性和可行性。     

基于子模块电容电压预估的MMC分段电压平衡优化控制

随着高压直流输电系统电压等级和输送容量的提升,对模块化多电平换流器的电容电压平衡控制提出了更高的要求.为了实现对高压大容量模块化多电平换流器电容电压的优化控制,基于桥臂子模块分段控制思想,采用分段电容电压排序控制方法.首先,分析了段内和段间电容电压平衡机理,提出了段间电压平衡控制策略;其次,将MMC开关频率分为两部分,分别分析了各部分开关频率的影响因素,提出了基于子模块电容电压预估的段内电容电压平衡优化控制策略,以降低器件的等效开关频率;最后,基于PSCAD/EMTDC的仿真结果表明,在有效保证电容电压平衡的条件下,等效开关频率降幅可达25％,从而验证了相关理论分析的正确性和控制策略的有效性.     

MMC-HVDC混合阻断拓扑直流故障抑制

如何处理直流侧短路故障是电压源换流器型直流输电面临的一个技术难题。首先根据模块化多电平换流器的直流故障抑制机理对改进型子模块拓扑特点进行总结概括,针对其存在问题设计了额外功率损耗为零的反向阻断型半桥子模块拓扑及其构成混合子模块拓扑。然后根据回路电压方程研究混合子模块拓扑直流故障抑制特性,分析了子模块内电容电压平衡问题,设计了系统自励启动策略。最后在PSCAD/EMTDC中搭建模型,对混合拓扑启动流程及直流故障抑制特性进行了仿真证明。     

模块化多电平换流器调制策略研究

模块化换流器是应用于电压源换流器直流输电的新型多电平换流器拓扑。介绍了MMC最近电平调制策略和载波移相调制策略的原理,以及相应的电容电压平衡控制策略。分析了2种调制策略下输出电压电流的谐波特性,结果表明具有高开关频率的载波移相调制策略具有更好的谐波特性。在PSCAD/EMTDC中进行了仿真,验证了理论分析的正确性。     

交流系统不平衡对MMC-HVDC运行影响分析及其保护控制

交流系统不平衡会引起模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)输出功率的波动与输出电流的不平衡,同时也会导致基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converter-high voltage direct current transmission,M M C-HVDC)系统内部桥臂电流与子模块电压出现更大的波动,危及变流器的安全运行。文章分析了交流系统不平衡度以及控制参数对MMC桥臂电流与子模块电压的影响,构建了不平衡分量、控制参数与桥臂电流、子模块电压的三维函数。进而通过一次拟合的方式,得到了不同跌落程度下使桥臂电流峰值最小的控制参数值,最大程度地保证了MMC运行的安全稳定。最后搭建了静止坐标系下MMC控制系统,仿真验证了理论分析的正确性。     

辅加逼近的MMC抑制电容电压波动

子模块电容电压的均衡是模块化多电平换流器MMC控制的重中之重。应用于等级较高的MMC子模块数多,频繁投切造成的开关损耗可观。为此,提出分组设限电压均衡控制策略。即使电平不变时,越限电压的子模块也要投切,均衡电容电压。通过分组能增加模块保持原有状态的能力,降低开关损耗。引入补偿模块PC,使得输出直流电压逼近参考值,支撑直流电压的同时有效地抑制了环流。在Matlab/Simulink中搭建模型进行仿真实验,仿真实验结果验证了所提方法的有效性和正确性。     

基于算法优化的MMC子模块降频均压策略研究

伴随着应用电压等级不断升高,模块化多电平换流器子模块级联数目大幅增长,各子模块间的电容电压均衡问题尤为明显。高效的排序算法是作用于子模块电压均衡过程的核心模块,降低排序算法的时间复杂度可以有效减轻硬件控制器设计难度,提高系统可靠性。基于快速排序的Top K算法,在原有子模块投切策略基础上每轮排序只提取需要的前K个模块,并将有助于MMC均压的开关降频策略引入Top K算法进行深度优化,非全排序降频算法能够大幅减少排序次数,有效缩减程序仿真运算量。在多电平双端背靠背互联系统Simulink仿真模型中,验证算法封装子模块排序和降频实验效果良好。     

基于电压向量合成的模块化多电平换流器控制策略

介绍了模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的拓扑结构与工作原理,提出一种基于电压向量合成的模块化多电平换流器型高压直流输电（modular multi-level converter based high voltage direct current,MMC-HVDC）控制方法.传统的模块化多电平换流器控制方法子模块投切频率高,相应的开关损耗也高.设计的电压向量合成控制法可以实现子模块工频开关投切,极大地降低了模块开关损耗.同时还针对该控制方法设计了模块均压控制策略和换流器闭环控制系统,在模块工频投切的同时模块电压也能得到良好的均压控制.仿真结果表明所设计的控制系统模块开关频率低,电压波动范围小,实现了功率的闭环控制,具备很好的理论研究价值和工程应用价值.     

模块化多电平换流器改进型子模块拓扑仿真研究

针对模块化多电平换流器高压应用和高电平输出时子模块数量过多问题,研究了堆叠式两电平和多电平输出子模块拓扑特点。在总结不同改进类型子模块拓扑特点基础上,定性比较了各种拓扑在直流侧短路故障时所具有的故障电流抑制能力差异性。针对串联双子模块拓扑,设计了基于全控和半控整流方式的混合充电策略。以改进型拓扑为例,在PSCAD/EMTDC 中搭建了两端有源MMC-HVDC 系统,对不同子模块拓扑的直流侧故障抑制特性以及串联双子模块拓扑启动策略的有效性进行了分析验证。     

二极管钳位型MMC电路的均压控制策略

为解决传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)均压系统中直流电压传感器较多、控制电路复杂的问题,将二极管钳位拓扑应用到MMC中,并提出了适用于该拓扑的电容电压均衡控制方法。该拓扑通过在各子模块电容正极加装钳位二极管,为直流电容提供单向钳位通路,从而实现MMC各桥臂子模块电容电压从上到下依次减小,简化了系统电路及其控制方法。最后,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了11电平二极管钳位型M M C拓扑仿真模型,结果表明该拓扑具有电容电压自排序功能,电容电压均衡效果良好。     

基于模型预测控制的MMC-HVDC系统控制策略研究

为提高基于模块化多电平换流器的直流输电系统(MMC-HVDC)电流内环的动态响应速度,提出了一种MMC-HVDC系统的模型预测控制(Model predictive control, MPC)方法。该方法通过预测模型、反馈校正和滚动优化得到最优的电压控制量,克服了传统双闭环控制PI参数整定困难和动态响应慢的问题。针对外环PI控制器参数对系统参数敏感的问题,对PI控制器参数进行了自适应调整,根据控制器的输入偏差和输出的大小来调整PI参数,提高了控制器的鲁棒性。针对子模块电容的均压问题,采用了基于排序法的最近电平调制(NLM)均压调制算法,有效地实现了子模块电容电压的平衡。最后,通过Matlab/Simulink平台搭建了5电平的MMC-HVDC系统仿真模型。仿真结果表明了该控制策略的有效性和可行性。     

模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析

模块化多电平换流器型直流输电(MMC-HVDC)是新一代多电平电压源换流器直流输电拓扑,它利用多个子模块串联,并采用特定的触发方式使桥臂电压波形逼近正弦,但其三相间的内部环流使得流过桥臂的正弦电流产生畸变,增大了桥臂电流的峰值,从而提高了对开关器件电流容量的要求。为研究桥臂环流的计算方法,通过瞬时能量平衡关系,分析了MMC内部环流的产生机理,指出其为2倍基波频率,且为负序性质,并进一步推导了环流大小的解析表达式,为选择桥臂串联电抗器,抑制环流提供了依据。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了21电平MMC-HVDC双端系统模型,并采用了子模块电压均衡控制方法,仿真结果验证了该模型的有效性和环流计算公式的准确性。     

基于MMC的电机驱动新型控制方法

针对电机在低频工况下出现的电容电压波动、桥臂环流等问题,提出了一种无权重系数的模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter ,MMC)驱动模型预测控制策略。在假设子模块(Submodule,SM)电容电压均衡的前提下,建立相电流目标函数并求取最优解,通过引入补偿电平数,实现对环流的优化控制。同时为改善传统排序均压控制算法速度较慢的不足,优化了现有SM电容均压控制策略,引入保持因子,并依据理想情况下MMC的电容电压规律,进行归并排序,保证了MMC中各SM电容电压的均衡。通过仿真验证了所提方法能有效实现对电机的控制。     

MMC子模块控制器设计与测试

子模块控制器（ sub-module controller , SMC ）的控制保护功能对模块化多电平换流器直流输电（ modular multilevel converter based high voltage direct current ,MMC-HVDC）的运行有着极大的影响。首先,介绍了子模块与SMC硬件架构,开发调试了基于复杂可编程逻辑器件（ complex programmable logic device , CPLD）的SMC控制程序,研究了SMC与其上层控制阀基控制器（ valve based controller , VBC ）之间的协调控制以及子模块保护策略。最后对子模块进行了稳态的空载、带载实验以及MMC-HVDC物理模拟系统的系统实验,实验结果证明了子模块的性能良好,SMC可以与VBC进行有效通讯并可以对子模块进行有效控制保护以及稳态测试平台的有效性。