模块化多电平直流变压器容错控制策略

为了提高模块化多电平直流变压器子模块故障后的容错能力,该文提出一种基于单侧双重移相控制的模块化多电平换流器（MMC）型直流变压器容错控制策略。首先,针对MMC-H桥型直流变压器,分析了双重移相控制下的工作原理与功率模型,研究了发生子模块不对称故障后的系统运行特性,揭示了旁路故障子模块导致系统桥臂电压不对称、子模块电压不稳定与环流波动的机理;然后,以单侧双重移相控制为基础,将一次侧桥臂内和桥臂间的移相角作为控制量,提出一种MMC型直流变压器容错控制策略,通过平衡故障桥臂平均子模块电压,解决桥臂不对称引起的系统不稳定问题,抑制了桥臂环流波动;最后,在Matlab/Simulink平台搭建了每个桥臂10个子模块的变压器模型,对单侧双重移相下的稳态控制与子模块故障后的容错控制进行仿真,验证了所提容错控制策略的有效性。     

MMC桥臂不对称运行特性分析及子模块故障下的控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的一种常见故障类型,故障子模块被旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为确保MMC在该状态下的稳定运行,对MMC桥臂不对称运行特性进行了详细的理论分析,提出了一套完整的子模块故障下的控制策略,包括基于电容比较的故障子模块定位方法及基于准比例谐振控制器的基频环流抑制方法;并在PSCAD/EMTDC软件环境下搭建了21电平MMC-HVDC仿真系统,对理论分析及子模块故障下的控制策略进行了仿真验证。结果表明:在不对称运行状态下,交流相电流基频分量在上下桥臂中不再平均分配,并且环流中将出现不对称的基频分量及三倍频分量,原有二倍频分量也略有增加;在提出的故障控制策略下,子模块定位方法能在一个周期内同时定位到多个故障子模块,同时基频环流抑制方法能对不对称运行状态下环流的附加分量进行有效抑制。仿真结果与理论分析的结果相符,验证了理论分析的正确性及所提出的故障控制策略的有效性。     

模块化多电平变换器容错运行环流抑制策略

模块化多电平变换器(MMC)采用热备用的容错控制方案时,可实现系统的容错运行。当子模块发生故障时,系统直接旁路故障子模块,变换器运行在上、下桥臂不对称状态。为分析这种状态下MMC系统的工作性能,推导了MMC容错运行工作模式的数学模型,详细分析了桥臂电流以及子模块电容电压的波动情况。分析结果表明:MMC上、下桥臂不对称运行时,故障相间桥臂环流中的基频成分增加,该部分环流会流入直流侧;改变子模块的平均开关频率可抑制不对称运行所引起的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了31电平的MMC模型(其中含6个热备用模块)并进行了仿真,仿真结果验证了所推导结论的正确性。     

模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略

阐述了模块化多电平换流器(MMC)子模块故障类型,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块故障、直流电容故障和控制信号故障。分析比较了3种子模块冗余容错方案的优缺点,选择采用对MMC影响较小的子模块热备用的冗余容错方案。该方案的缺点是MMC运行于不对称状态,导致MMC直流电流出现波动。为此,在推导MMC冗余运行状态的基本数学模型、得出桥臂能量数学表达式的基础上,提出了基于桥臂能量平衡的冗余容错控制策略来抑制直流电流的波动。在时域仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了61电平MMC模型,仿真结果验证了提出的冗余容错控制策略的有效性。     

MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制

当模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统子模块发生故障时,上、下桥臂处于不对称运行状态,此时会导致上、下桥臂子模块输出电压之和不均衡,造成换流器内部环流不仅含有二倍频负序分量,还增加了基频分量,导致直流侧电流波动。基于MMC桥臂子模块不对称运行时平均开关函数,阐述了上下桥臂子模块数目不对称运行时子模块数量不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和,以及桥臂电流基频分量与桥臂正常运行子模块数量、环流直流分量和二倍频分量之间的关系。提出一种MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制策略,在实现交流电流跟踪、子模块电容电压均衡的同时,可以实现故障时对环流基频和二倍频成分的抑制,使正常运行子模块电压维持在给定值附近,维持直流侧电流稳定。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

模块化多电平换流器子模块故障特性分析与解耦控制策略

针对模块化多电平换流器(MMC)在子模块故障时桥臂子模块可投入运行数目不相等的情况,建立基于开关函数的桥臂不对称运行数学模型。基于此数学模型,揭示了上、下桥臂子模块开关函数不一致是导致不对称运行的根本原因。通过借助补偿阻抗以抵消上、下桥臂子模块故障数目不相等导致的不对称分量,将子模块故障下桥臂不对称状态转化为准对称运行状态,进而建立该条件下桥臂交流电流、直流电流和交流环流耦合等效电路,并研究等效电路各次电流之间耦合关系对桥臂内部运行特性的影响。分析结果表明,桥臂电流将出现基频环流分量,交流电流也会引入因不对称导致的直流电流分量和二倍频电流分量。最后通过建立桥臂电流解耦控制模型,构建不同频率下桥臂电流与电压的映射关系,提出具有子模块故障容错能力的桥臂电流控制策略。在PSCAD/EMTDC中的仿真结果证明了所提控制策略的有效性。     

模块化多电平变换器上、下桥臂不对称运行环流重复控制

模块化多电平变换器(MMC)以其模块化、可扩展和便于冗余容错设计等优势在高压直流输电等大功率场合得到了很多应用。然而,采用大量电力电子元器件使可靠性成为制约MMC发展的主要因素,而通过设置备用子模块进而实现容错运行成为提高其可靠性的主要手段。针对含备用子模块MMC发生子模块故障导致上、下桥臂不对称运行的情况,本文通过理论分析表明,环流中不仅包含了偶次谐波成分,还包含了不对称运行产生的奇次谐波成分。据此,本文采用改进的环流重复控制器,在实现MMC故障后容错运行的同时,还实现了对环流各次谐波成分的有效抑制。所提出的环流重复控制器,不仅适用于上、下桥臂不对称工况,也适用于对称工况。因此,故障前后无需进行控制器的切换,降低了容错控制的复杂度。本文通过搭建单相MMC硬件平台,验证了所提控制策略的有效性。     

基于模型预测控制的模块化多电平变流器桥臂能量控制策略

已有模块化多电平变流器(MMC)控制策略大多采用单一子模块电容电压参考给定的控制方式,存在无法分别控制不同桥臂子模块电容电压等不足。提出一种基于模型预测控制的MMC桥臂能量控制策略,通过引入桥臂能量共模分量和差模分量控制,实现各桥臂子模块电容电压的灵活控制;同时,基于MMC的暂态数学模型设计相电流及环流模型预测控制器,并引入电流误差反馈滚动优化,有效地实现了外部相电流和内部环流的解耦控制,使环流控制器具有能灵活实现环流抑制和环流注入的特性,且对系统参数不敏感。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

MMC子模块故障下桥臂不对称运行特性分析与故障容错控制

针对基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC),研究子模块故障发生后,桥臂子模块实际运行个数不对称情况下的运行特性,揭示其造成上、下桥臂电容电压基值不对称、各次不对称环流、直流电流波动、交直流侧电压偏置、各桥臂电流直流分量不对称等故障机理。基于平衡上、下桥臂基频电压分量的思想,提出一种具有子模块故障容错能力的环流抑制控制器,其通过在传统二倍频比例谐振环流控制的基础上引入基频谐振控制器,以解决不对称桥臂引起的一系列不平衡问题。基于 PSCAD/ EMTDC搭建双端201电平MMC-HVDC系统,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

MMC子模块故障下能量再平衡控制与安全运行域分析

模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电领域得到了广泛的应用。在高压大功率场合,MMC的子模块数量庞大,子模块故障是一种常见的故障类型。为了提高可靠性,通常MMC每个桥臂上均设置一定数量的冗余子模块。然而,当MMC发生不对称子模块故障时,直流电流中会出现基频波动,影响MMC的运行性能。针对上、下桥臂同时存在故障子模块的工况,分析了MMC桥臂间能量平衡的条件。据此,提出了一种能量再平衡控制策略,以抑制直流电流中的基频波动。与传统控制策略相比,在额定冗余运行域内,所提控制策略无需提高子模块电容电压。分析了采用所提控制策略时MMC的最大安全运行域,结果表明所提控制策略能扩展MMC的安全运行域,进一步提高其可靠性。±350 k V/1 000 MW的MMC硬件在环实验结果验证了所提能量再平衡控制策略的有效性以及安全运行域分析的正确性。     

模块化多电平换流器故障容错控制策略

模块化多电平换流器型轻型直流输电系统,其拓扑结构中各桥臂级联了大量子模块,系统运行时容易出现可靠性问题。针对桥臂冗余子模块耗尽的情况,基于桥臂能量均衡和最近电平调制提出一种桥臂子模块对称切除及系统运行于不对称状态的控制方法,保证了系统不间断安全稳定运行。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了21电平两端有源的模块化多电平换流器型轻型直流输电系统模型。仿真结果验证了所提出的故障容错控制策略的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器的容错控制策略

为了分析模块化多电平换流器在子模块故障时系统的运行性能,建立了系统在热备用的模式下上、下桥臂不对称运行的数学模型,分析结果表明上、下桥臂不对称运行会增加故障桥臂环流中的基频成分,通过改变故障桥臂子模块的平均开关频率可抑制基频环流。分析了采取容错控制策略后系统性能及所允许的最大故障子模块数量。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所得结论正确性。     

模块化多电平换流器子模块故障时中性点移位容错控制策略

模块化多电平换流器(MMC)发生子模块故障后,由于桥臂子模块数目的改变,将使故障相的相电压输出能力发生改变,导致三相输出不对称。针对MMC子模块故障下容错控制问题,以保证子模块故障后线电压平衡为控制目标,提出了一种MMC中性点移位控制(NPSC)容错控制策略。其通过修正故障后各相调制波控制中性点在故障相的相电压矢量方向上进行移位,在完成子模块故障容错运行的同时简化了传统中心点偏移控制算法的复杂程度,易于实现。同时,文中分析了NPSC下对MMC系统运行的影响,指出了该种控制方式下桥臂电流工频分量与直流分量的分配特性。最后,通过仿真与实验进行验证,表明了理论分析与该容错控制策略的有效性。     

考虑桥臂参数不对称和子模块故障的MMC协同控制策略

近年来,模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）受到广泛关注并得到迅速发展,在实际工程中,MMC上、下桥臂参数不可避免地会存在不一致;另外,当MMC桥臂子模块因故障旁路时,会导致6个桥臂子模块数目的不对称,以上两种桥臂不对称现象,均会打破MMC内部原有的能量均衡,同时导致换流器阀侧电流出现直流和2倍频谐波,以及导致直流电流中出现基频和二倍频谐波等问题。为解决以上问题,该文考虑桥臂参数不对称和子模块数目不对称同时存在的复杂工况,提出了MMC协同控制策略,此策略在充分保留子模块电压保护裕度的前提下,即可抑制桥臂参数不对称导致的直流侧/交流侧谐波,又可抑制桥臂子模块数目不对称导致的谐波,有效的改善了MMC交直流输出外特性的性能。最后,搭建了双端MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析及所提策略的有效性。     

桥臂不对称情形下MMC无源性PI控制方法

考虑模块化多电平变换器（modular multilevel converter, MMC）桥臂不对称情形，针对环流基频分量不对称引起的dq解耦变换误差问题，提出基于双线性模型的无源性PI控制方法，实现故障相电容电压保持稳定、不对称环流分量的准确抑制、三相并网电流的平衡输出。在abc坐标系下，建立桥臂不对称情形下MMC双线性模型，完成非线性系统控制变量随状态变量同步变化的线性化转换，简化控制器设计，避免dq解耦变换引入的控制误差。从系统全局能量耗散特性出发，设计形式简单的无源性PI控制器，实现子模块电容电压纹波快速抑制，消除桥臂电流不对称性，同时确保闭环控制系统全局渐近稳定运行。基于Matlab的仿真结果验证了所提控制策略能够有效抑制MMC桥臂不对称的不利影响，具有响应快速、稳定性好、鲁棒性强的特点。     

MMC子模块故障运行特性分析与容错控制策略研究

随着模块化多电平变流器(MMC)在高压直流输电领域应用的增多,其故障下的容错运行控制问题也显得愈来重要。针对MMC子模块故障下的容错运行问题,以平均开关状态模型为出发点,建立了适用于不同子模块故障类型下稳态特性分析的通用数学模型。基于该模型,对不同子模块故障类型下的运行特性进行了分析与总结,并针对子模块故障下容错运行的环流抑制问题,设计了适用于不同子模块故障类型的通用容错环流抑制器(GFCCS)。最后,以两种不同的子模块故障类型为算例分析背景进行了仿真与实验分析,结果表明了该通环流抑制器设计有效,能够同时实现不同子模块故障类型下的环流抑制。     

新型模块化多电平变流器容错运行策略

为了解决模块化多电平变流器(MMC)在部分子模块故障时,因系统处于不对称运行状态而造成输出电流畸变、电容电压纹波较大、直流电流波动过大等问题,提高系统容错运行能力,本文提出了一种新型MMC容错运行策略,针对不同范围的调制比,对调制波进行相应调整。同时在载波移相调制基础上,提出一种利用当前关断模块替换故障模块导通的调制策略,并给出相应的优化方法,来增大桥臂正常模块平均导通时间,维持桥臂能量不变,减小桥臂间的不对称性。在MATLAB/Simulink上进行了仿真和实验验证。结果表明,本文提出的容错运行策略能够改善MMC故障运行时的输出波形,减小畸变率,提高了MMC的故障穿越能力,有利于MMC系统的稳定可靠运行。     

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。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

基于混合谐波与附属电压的MMC变频运行方法

针对模块化多电平变流器(MMC)在变频运行状态下子模块电容电压存在剧烈脉动、桥臂电流以及输出电流出现严重畸变的问题,提出一种基于混合谐波注入与附属电压能量控制的MMC变频运行控制策略。该策略从MMC桥臂能量出发,通过将注入混合谐波的高频共模环流与方波高频共模电压相结合,抑制子模块电容电压脉动并降低桥臂电流开关应力和系统损耗。同时,还引入了附属电压能量控制,实现了三相桥臂能量的均衡控制,简化了额外的环流控制器,改善系统的稳定性。最后通过实验验证了所提控制策略的可行性和有效性。