模块化多电平逆变器的改进型PS-SPWM研究

模块化多电平换流器(MMC)具有级联型多电平换流器"模块化"的优点,输出电压中的谐波含量少,在高压直流输电中具有巨大的应用潜力。介绍MMC的数学模型和工作原理,分析传统载波移相调制策略,针对其存在的缺点提出一种改进型载波移相PS-SPWM调制算法,即载波三角波移相-开关频率优化PWM法(PS-SFO-PWM),并与载波移相SPWM调制算法进行比较;针对MMC中特有的三相之间的环流问题,通过对其进行PI调节,使环流抑制在一定的范围内,利于功率的有效传输。最后,在Matlab/Simulink7.0环境下搭建了基于载波三角波移相-开关频率优化PWM法的5电平逆变器的仿真模型,仿真结果验证了所提方法具有直流电压利用率高、开关频率小等优点。     

基于数值计算模型的MMC半桥型子模块仿真方法

模块化多电平换流器（MMC）的各半桥子模块均由两个开关组（1个IGBT和1个反并联的二极管）构成。针对MMC在包含的子模块规模较大的情况下,对采用电路模型分割法对MMC进行分割后的子模块进行仿真求解时仍然会占用较多资源,效率不高的问题,提出了基于数值计算模型的MMC半桥子模块仿真验证方法。首先通过分析三相MMC及其半桥子模块（HBSM）的工作机制,把半桥型子模块中的两个开关组等效为在高、低阻态不断切换的等效电阻并给出了其等效电路。然后针对电容支路的离散化问题,根据梯形积分法推导了MMC半桥型子模块的数值求解公式,给出了数值计算电路模型。最后基于MATLAB仿真平台建立了基于数值计算模型的半桥子模块仿真验证模型,通过与详细模型子模块的仿真波形对比分析,结果表明了所建立的子模块数值计算模型是可行的。     

基于改进子模块的MMC-HVDC直流侧故障隔离研究

架空线路场合下的高压直流输电系统(HVDC)故障率较高。当前,混合式直流断路器存在容量小、成本高等问题,使得具备故障自清除能力的子模块成为解决系统直流侧故障的最佳解决方案,但上述方案使用了更多电力电子器件,带来了损耗增大,投资成本增加等问题。为此提出一种新型混合方式的模块化多电平换流器(MMC)子模块拓扑结构,在不影响自清除故障能力的前提下减少了所需电力电子器件,提高其经济性和直流侧故障隔离性能。首先给出了将新型子模块与传统半桥子模块在桥臂中合理搭配的设计方案;其次,探究了改进型拓扑结构极对极短路故障穿越机理及子模块构建的经济性性优化方法。最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了双端MMC-HVDC模型,对提出的子模块性能及其混合型MMC性能进行仿真验证。结果表明,提出的改进子模块及相应的混合型MMC可快速阻断故障电流,具备良好直流故障隔离能力,且具有更好的经济性,在实际工程中上具有良好的应用前景。     

MMC电容电压排序优化算法研究

根据模块化多电平换流器的运行原理,研究了传统电容电压排序算法导致器件开关频率增大的根本原因;为降低器件的开关频率,提高系统运行效率,提出了一种电容电压排序优化算法。该算法对传统排序算法进行了优化改进,给定3个电压参考值,将已投入的子模块电容电压值与参考值进行比较,判断是否继续保持投入状态。在Matlab中搭建了每相60个子模块的MMC电容电压排序优化算法仿真模型,仿真结果表明,该算法能显著降低功率器件的开关频率,减小换流器的功率耗损。     

逐级独立优化的MMC模型预测控制

模型预测控制(MPC)方法应用于模块化多电平换流器(MMC)系统时存在计算负担大、配置加权因子困难等难题。在分析MMC离散数学模型的基础上,利用系统输出电平作为控制项,提出了简化有限控制集的无加权因子的逐级独立优化模型预测控制策略。通过设计独立目标函数来逐级实现交流输出跟踪以及环流抑制的控制目标,并在环流抑制环节中引入误差补偿模块以抵偿桥臂误差电压。此外,提出的基于BFPRT算法的子模块电容电压均衡策略能够在保证电容电压控制精度的同时,避免在每个控制周期对桥臂子模块电压进行完全排序,从而提高了系统运行速度。最后MATLAB/Simulink仿真结果和MMC样机实验结果均验证了所提方法的可行性、有效性以及出色的计算效率。     

一种MMC型VSC-HVDC系统预充电的控制策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种新型的电压源换流器拓扑,很适合于柔性直流输电(Voltage Source Converter Topology Applied in Voltage Source Converter-high Voltage Direct Current,VSC-HVDC)场合。在系统正常运行之前,MMC中的电容需进行预充电操作,以建立额定的电容电压和直流母线电压。首先介绍了传统启动方式存在的缺陷,为弥补这些不足,结合MMC启动时的数学模型,在详细分析换流器电容预充电动态过程的基础上,采用载波移相(Carrier Phase Shifted Modulation,CPSM)策略提出了一种适用于MMC可控阶段的新型启动方法。设计了电容电压参考值给定方式、内环电流控制以及外环电压控制,该预充电策略在限制过电流和避免过电压的同时,兼顾启动的速度和效率,提高了柔性直流输电系统启动的快速性和可靠性。由在Matlab/Simulink中所构建模型的仿真结果可以看出,所提出的控制策略正确、有效。     

模块化多电平换流器功率模块故障隔离的参数区间法

模块化多电平换流器在电力系统中的应用越来越广泛.其故障诊断技术对保障换流器的安全稳定运行进而保障电力系统的安全运行具有重要意义.针对模块化多电平换流器的主要单元设备功率模块的故障隔离问题,采用了参数区间法进行研究.针对功率模块电容值变化和漏电阻值变化引起的故障,将电容值取值范围和漏电阻值取值范围分别划分为4个参数区间进...     

MMC型换流器电容电压波动抑制方法研究

为了解决模块化多电平换流器(MMC)电容电压波动导致的换流器成本与体积增加等问题,提出了一种电容电压二倍频纹波抑制方法。首先从能量脉动角度推导了电容电压波动的数学模型,比较了不同二倍频环流对MMC电容电压波动抑制效果的影响;然后采用Clark变换将桥臂共模电压分解为αβ轴分量,利用准比例谐振控制器生成桥臂环流参考值,设计内环控制器对外环控制器生成的桥臂环流参考值进行跟踪,从而抑制子模块电容电压波动;最后在MATLAB/Simulink仿真系统上对所提控制策略进行仿真验证,通过对比传统环流抑制策略与所提控制策略对电容电压波动的抑制效果,证明了所提方法可有效抑制电容电压波动,改善输出电压的波形质量。     

MMC型换流器电容电压波动抑制方法研究北大核心CSCD

为了解决模块化多电平换流器(MMC)电容电压波动导致的换流器成本与体积增加等问题,提出了一种电容电压二倍频纹波抑制方法。首先从能量脉动角度推导了电容电压波动的数学模型,比较了不同二倍频环流对MMC电容电压波动抑制效果的影响;然后采用Clark变换将桥臂共模电压分解为αβ轴分量,利用准比例谐振控制器生成桥臂环流参考值,设计内环控制器对外环控制器生成的桥臂环流参考值进行跟踪,从而抑制子模块电容电压波动;最后在MATLAB/Simulink仿真系统上对所提控制策略进行仿真验证,通过对比传统环流抑制策略与所提控制策略对电容电压波动的抑制效果,证明了所提方法可有效抑制电容电压波动,改善输出电压的波形质量。     

一种新型电力机车牵引换流器设计

针对传统交直交电力机车牵引系统存在主电路结构复杂、功率和电压水平受限等问题,基于采用全桥型子模块的模块化多电平换流器结构,设计了一种单相AC-三相AC电力机车牵引换流器,可直接驱动三相异步牵引电动机,从而取消了车载降压变压器,降低了电力机车牵引系统的复杂度。通过建立该换流器在两相同步旋转dq坐标系的数学模型,提出了一种外环定交流电压控制策略和内环直接电流控制策略。仿真结果验证了该换流器及控制策略的有效性。     

新型C MEX函数设计MMC整流器控制软件研究

常见的C MEX函数局限于对控制系统局部子函数的C代码验证,不能实现整体方案设计;并且与DSP芯片的软件语法不兼容,无法进行代码移植与实验。提出一种新型多文件结构的C MEX函数,将主函数、算法单元模块、头文件合理分配,通过主函数调用子函数实现控制系统的整体设计。该代码以MMC整流器的电流矢量控制算法为基础,高度模拟了定点DSP芯片的语法规则,可实现对DSP芯片的高效移植。仿真与实验测试结果表明所述C MEX函数实现了电流的解耦控制,提高了软件设计集成度与效率。     

基于载波混合SPWM控制模块化多电平变换器的研究

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)是柔性直流输电的应用热点之一。针对传统脉冲宽度调制方式在MMC系统中存在使每个模块单元输出功率不等,输出波形性能降低等问题,提出了一种基于载波混合脉冲宽度调制策略(carrier-based hybrid SPWM,CBH-SPWM)。该调制策略同时包含了载波重叠和载波移相两种调制方法的特点。一方面提高了输出电压的性能,另一方面使MMC中每个模块输出功率相等。仿真结果验证了所提CBH-SPWM方法的正确性与有效性。     

三电平T型逆变器开关控制策略研究

多电平逆变器的应用已越来越广泛,并开始从中压高功率场合转向低压场合。近年来提出的三电平T型逆变器由于其适合低压场合工作的特点,受到很多关注。分析了该逆变器常见的开关控制策略M₁和M₂,其中M1开关控制策略来源于NPC逆变器,稳态工作时的驱动逻辑比较复杂;M₂开关控制策略在M₁的基础上进行了简化,但是其暂态工作过程中会造成相关二极管的反向电流增大。为了解决上述两种开关控制策略的问题,在控制策略M₂的基础上对某些特定的开关器件开通、关断时间进行了调整,提出了一种新的开关控制策略M₃。对提出的新控制策略进行了仿真分析,结果验证了理论的正确性。     

基于MMC的四端口柔性多状态开关虚拟同步裕度控制

柔性多状态开关（Flexible Multi-State Switch,FMSS)是一种取代传统点断式开关应用于现代配电网的新型电力电子设备,能够优化现代配电网分布式电源的消纳和调控。相比于传统背靠背型柔性多状态开关,四端口柔性多状态开关可实现不同电压等级和不同区域网的柔性互联及潮流互济。以模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter, MMC)为基础的四端口FMSS装置为研究对象,针对常规控制策略影响系统频率稳定性,无法对弱交流电网提供频率支撑等问题,引入虚拟同步控制(Virtual Synchronization Control, VSC)策略。该方法使柔性多状态开关具备惯性响应特性和调频能力,在此基础上提出直流电压裕度控制,形成整体的虚拟同步裕度控制,确保直流母线电压发生故障或扰动下FMSS的可靠运行。最后,通过Matlab/Simulink搭建四端FMSS模型,利用仿真验证所提控制策略的可行性。     

基于NLM策略的模块化多电平换流器研究

介绍了模块化多电平换流器的拓扑结构和工作机制,建立MMC数学模型,将电容均压控制算法运用到不同调制策略中以实现电容电压的稳定.在Matlab-Simulink及RT-LAB半实物仿真平台下搭建7电平的逆变器仿真模型,验证最近电平逼近调制的优势.结果表明最近电平逼近调制策略下换流器运行正常,输出波形质量高、谐波含量少、子模块电容电压波动小,在电平数较高的应用场合中具有较大的优势;并证明了Matlab-Simulink和RT-LAB仿真结果的一致性以及RT-LAB仿真效率的高效性.     

基于EL模型的MMC无源控制器设计

建立了基于开关状态函数的MMC电磁暂态数学模型,设计了改进的基于EL模型的MMC无源控制器。该控制器采用误差控制方式,即通过控制误差为零使得MCC控制系统实际输出的物理量跟踪参考给定值;为使误差能量快速衰减为零,加快耗散特性,引入了阻尼矩阵;为消除稳态残差电压,将MMC直流电压引入控制系统,与参考电压相比较,经PI调节后与参考有功分量相加得到最终的有功参考分量。仿真结果表明,该控制器能够完全跟踪参考给定值,同时能降低电压波动范围,具有较好的动态响应特性。     

基于EL模型的MMC无源控制器设计

建立了基于开关状态函数的MMC电磁暂态数学模型,设计了改进的基于EL模型的MMC无源控制器。该控制器采用误差控制方式,即通过控制误差为零使得MCC控制系统实际输出的物理量跟踪参考给定值;为使误差能量快速衰减为零,加快耗散特性,引入了阻尼矩阵;为消除稳态残差电压,将MMC直流电压引入控制系统,与参考电压相比较,经PI调节后与参考有功分量相加得到最终的有功参考分量。仿真结果表明,该控制器能够完全跟踪参考给定值,同时能降低电压波动范围,具有较好的动态响应特性。     

基于ELM优化PI+重复控制策略在APF中的应用研究

针对传统有源电力滤波器(APF)难以适应非线性负载高电压大功率电网环境且PI参数调整缓慢的问题,基于模块化多电平换流器(MMC)的APF结构,提出一种采用极限学习机(ELM)优化电流内环PI+重复控制策略.构建基于5电平MMC拓扑结构的APF仿真模型及实验平台.仿真研究结果表明,优化后的控制策略所得负载电流THD较传统...