模块化多电平换流器子模块拓扑结构对比分析

模块化多电平换流器型高压直流输电以其独特的技术优势,已成为未来电压源换流器型高压直流输电(Voltage Source Converter based HVDC)领域的发展趋势。MMC是未来高压直流输电传输系统的重要组成部分,半桥型子模块、双箝位型子模块和全桥型子模块是MMC三种主要的可选择的子模块拓扑结构。分析了MMC的通用拓扑结构及三种常见子模块的拓扑结构和工作模式,得出了不同子模块结构的特点,最后通过仿真验证了不同子模块拓扑结构的直流故障穿越能力,并对比分析了采用不同子模块拓扑结构MMC的基本特性。     

模块化多电平换流器常用调制策略的对比分析

模块化多电平换流器(MMC)常用调制方式包括载波移相调制(CPS-PWM)、载波层叠调制(CLS-PWM)以及最近电平逼近调制(NLM)。为提高MMC工作效率,方便针对不同应用条件选取合适的调制方式,本研究采用Matlab/Simulink虚拟仿真方法,对以上调制方式从开关频率、谐波分布、谐波畸变率等方面进行仿真,并对仿真结果进行比较,得到结论:CPSPWM方式在MMC电平增多后更便于滤波,但算法也更加复杂,较为适用于十几电平或者二十几电平场合;CLS-PWM中的三种方式在电平增高后,谐波仍较为分散,但在十电平以下时就能达到较低的谐波畸变率,适合应用于电平数不多的场合;NLM开关损耗小,调制简单,但波形质量在电平数少的时候相对较差,在高电平时较为适用。     

模块化多电平变换器功率模块的电流与损耗

为了便于对电压源变换器功率器件进行系统设计以及对其参数、冷却装置进行有效选择,需要对电流与损耗进行有效估算.通过介绍新型模块化多电平变换器（MMC）的工作模态,对其电流分布进行了详细分析,给出一种基于电流分布和元件特征曲线线性拟合的简单MMC损耗计算方法,并在此基础上分析了开关频率、功率因数等对MMC损耗的影响.仿真计算结果表明,该方法能简单有效地对不同工况下各个元件的损耗进行计算,其计算结果对功率器件及其散热装置的选择有一定的指导作用.     

模块化多电平换流器电容电压优化均衡法研究

在模块化多电平换流器的传统子模块电容电压排序均衡方法中,算法排序在子模块数目较多的情况下存在运算量大、开关动作频繁等缺陷。因此,为了减少子模块排序运算量,降低开关频率,该文提出了基于改进归并排序的 MMC电容电压均衡法。首先,对引入的归并排序算法均衡工作机理展开了简要叙述,在此基础上,针对算法单次排序比较次数高对算法进行优化处理,进而减少了单次排序运算过程中算法所需的比较次数;并立足于简化后的归并排序算法,引入子模块之间的最大电压偏差比例值,实现降低排序频率与开关损耗,从而形成了具有优越性能的改进归并排序均压控制方法。最后,运用 Matlab/Simulink仿真平台搭建了模块化多电平换流器的直流侧电容电压均压控制模型验证所提改进归并排序均压方法的可行性与有效性。     

柔性直流输电多电平换流器拓扑结构分析

随着电力电子器件的进一步发展促进了柔性直流输电的发展,传输容量进一步增加。柔性直流输电在输送距离较远时能够显现出较大的优势,由于这种调节具有快速而准确的特点,从而易于对整个系统的潮流进行有效控制。文章主要分析了应用于柔性直流输电技术的多电平换流器主要拓扑结构及其优缺点。模块化多电平换流器由于具有较强的直流侧故障穿越能力获得了广泛的应用。     

多电平换流器直流侧电容电压模糊控制技术

提出一种基于模糊理论的多电平脉宽调制换流器直流侧电容电压控制技术。通过控制直流侧与各个电容相应的开关器件开关动作的不同组合,使电容间电压稳定均衡,并得到多电平阶梯波输出电压,大大降低了换流器的谐波分量、纹波输出及对系统的冲击。最后给出了基于系统的数字仿真结果。     

多电平换流器直流侧电容电压模糊控制技术

提出一种基于模糊理论的多电平脉宽调制换流器直流侧电容电压控制技术。通过控制直流侧与各个电容相应的开关器件开关动作的不同组合,使电窝间电压稳定均衡,并得到多电平阶梯波输出电压,大大降低了换流器的皮分量、纹波输出及对系统的冲击。最后给出了基于系统的数字仿真结果。     

模块化多电平换流器子模块等效数学模型的建立及仿真

模块化多电平换流器(MMC)中包含的半导体开关器件数量是2电平、3电平电压源换流器(VSC)的2次幂倍,随着系统电平数的增加,大量功率器件的引入给模型的电磁暂态仿真带来了困难。本研究把IGBT等效为2个不同状态的等效电阻,将MMC子模块的模型简化,根据戴维宁定理建立了MMC子模块的数学模型和MMC桥臂数学模型。最后,在MATLAB/Simulink下搭建基于MMC子模块数学模型的21电平仿真电路和基于MMC桥臂数学模型的61电平VSC-HVDC输电系统仿真电路,并与采用器件模型的仿真结果进行对比。仿真验证了该数学模型的准确性和可靠性。     

基于一致渐近稳定观测器的模块化多电平变流器控制系统设计

为了实现模块化多电平变流器(MMC)各模块之间电容电压均衡,减少电压传感器数量,设计非线性的降维状态观测器,并提出基于该观测器的系统控制方法.依据三相MMC拓扑结构,以三相环流、交流输出电流和所有模块电容电压为状态变量,建立状态空间模型. 结合模型,提出观测器的设计方法,该观测器通过测量MMC电路中6个桥臂电流和6个桥臂投入模块总电压,结合开关信号观测得到各模块电容电压. 利用无源理论和持续充分激励条件,证明在载波移相调制策略和最近电平调制策略下,观测器误差模型是一致渐近稳定的. 以该观测器为基础,设计MMC功率电流双闭环控制器. 通过搭建的仿真模型验证所设计观测器的观测值能够准确跟踪实际值,系统鲁棒性和动态性能较好.     

4种模块化多电平逆变器调制策略对比分析

介绍了模块化多电平逆变器,分析了环流抑制方法以及子模块间电容电压平衡策略.在多电平结构的调制策略中,选取载波重叠调制方式、最佳电平逼近调制方式和载波移相调制方式以及一种PWM(pulse width modulation)和最佳电平逼近相结合的混合调制策略,在Matlab/Simulink中搭建三相带对称负载逆变系统仿真平台,改变调制策略得到相关结果和参数,得到了输出电压波形的波形图和FFT(fast Fourier transformation)分析结果,分析了其谐波成分的不同规律,相互比对后发现从不同的标准来衡量调制策略的优劣时,排序结果有差异,为根据实际情况适合采用哪种调制策略提供参考.     

电网电压不平衡下基于模块化多电平的高压直流输电控制策略

研究了基于多电平变流器(MMC)的两端柔性高压直流(HVDC)输电系统。首先建立了MMC数学模型,分析了MMC内部环流产生的原因以及环流危害,接着研究了HVDC输电系统的工作原理和控制策略。系统的控制逻辑可分为3级,其中最低层控制策略为换流站内的阀级控制,包含MMC的调制方法和环流抑制策略。重点研究了换流站级的双环PI控制和阀级的环流抑制。通过搭建输电系统模型实现了正常工况下理论分析和软件仿真论证,同时设计了非正常工况下经过正负序分离后的双环PI控制方法,实现了电网电压不平衡时系统的稳定控制。     

60°坐标系下新型模块化多电平变流器空间矢量脉宽调制的简化通用算法

对任意电平逆变器在60°坐标系下的空间矢量脉宽调制通用算法进行研究;并在此基础上推导出了多电平与两电平电压矢量之间的作用时间矩阵;为了减小输出电压波形畸变率,降低开关的损耗,对冗余电压矢量的选择方法和最优合成顺序进行了确定,最后,在PSIM中搭建了模块化多电平的仿真模型,并将基于60°坐标系的空间矢量调制算法用程序实现,证明该简化算法的通用性和正确性,仿真实验也证明随着电平数的增加,输出线电压波形越接近正弦波.     

混合型MMC全桥子模块的配置比例优化设计

由半桥子模块(half-bridge submodule,HBSM)和全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)组成的混合型模块化多电平换流器因具备无闭锁直流故障穿越能力,成为了柔性直流输电领域的研究热点。首先,对混合型MMC的拓扑结构进行分析,并介绍无闭锁故障穿越的机理。为降低FBSM的配置比例,减少换流站投资成本,在桥臂电压调制波中注入三倍频电压的条件下,对直流侧短路故障工况、降压运行工况进行了FBSM配置比例优化设计。计算表明,桥臂调制波中未注入三倍频电压时,FBSM配置比例需达到50%,注入三倍频电压后,FBSM配置比例达到43. 3%即可实现系统的稳定运行。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建401电平双端混合型MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和三倍频电压注入优化策略的有效性。     

MMC子模块拓扑搜索方法及其直流故障穿越能力定量评估

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的子模块类型包括半桥、全桥和双钳位子模块在内的多种常见拓扑,并且随着研究的深入新型子模块拓扑在不断涌现。提出了一种MMC子模块拓扑搜索方法,可以从理论上证明已有子模块拓扑的唯一性,进而重点研究了由搜索所得子模块拓扑组合而成的一种混合MMC结构。同时,为了精确评估MMC的直流故障穿越能力,提出了直流故障阻断能力指标(DC Fault Blocking Capability Index,DFBCI),可以对已有MMC拓扑以及混合MMC拓扑的直流故障穿越能力进行定量对比,进而验证了所推荐拓扑的经济性和有效性。最后在PSCAD/EMTDC环境下搭建了双端MMCHVDC系统模型,用以验证DFBCI指标的有效性。     

适用于直流配电网中MMC的电平数倍增混合调制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)应用于中压直流配电网时子模块数目较少,沿用直流输电系统中的最近电平逼近调制策略会导致电流畸变严重、输出电压质量差等问题。为此,分析了MMC已有的调制策略原理,并在此基础上提出了一种适用于中压直流配电网的电平数倍增混合调制(double multiplication hybrid modulation, DMHM)策略。该调制策略通过对上、下桥臂电压参考波采用不同的取整函数并叠加PWM波,使电平输出拓展至2N+1;此外,DMHM根据电容电压排序结果决定子模块工作模式,任意时刻每相仅一个子模块工作在PWM模式下,能有效均衡电容电压,控制更为简单。最后,搭建的MATLAB/Simulink仿真验证了DMHM应用于中压直流配电网的有效性,相比于传统的调制策略,DMHM能降低谐波含量,且开关损耗与开关频率远小于CPS-PWM调制。     

模块化多电平直流变压器的傅里叶级数建模与控制器设计

研究模块化多电平直流变压器,其由两相模块化多电平桥臂、高频隔离变压器和并联全桥模块组成. 模块化多电平桥臂采用准方波调制,并联全桥模块采用方波调制,基于傅里叶级数分析单移相控制下的工作原理和功率特性. 采用傅里叶级数求和的方法建立模块化多电平直流变压器在单移相控制下的数学模型,求得单移相控制到输出电压的传递函数,在开环传递函数的基础上设计PI控制器,以达到控制输出电压的目的. 最后在MATLAB/Simulink中搭建模块化多电平直流变压器的仿真模型. 仿真结果表明,利用该数学模型设计的PI控制器可使直流变压器输出电压稳定.