基于子模块电容电压允许值的MMC均压控制策略

针对模块化多电平变换器（modular multilevel converter,MMC）传统子模块（sub-module,SM）均压策略存在的开关频率高、开关损耗量多、计算量大等问题,提出基于子模块电容电压允许值的均压控制策略。通过引入电容电压允许值变量,使得SM电压始终在规定的范围内运行,降低了功率器件损耗。与此同时,由于不需要每个控制周期对全部SM进行排序,进一步减少了控制策略的计算量。通过仿真结果验证了所提策略的有效性,可以显著减少单位时间内功率器件的开关次数。     

MMC低开关频率子模块均压控制策略

针对模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的子模块均压控制问题以及传统子模块排序均压策略的功率模块平均开关频率问题,通过相关公式推导,分析并指出子模块开关器件动作较频繁的原因。由此提出一种改进型的排序均压控制策略,通过固定每个控制周期功率模块的投切交换个数来降低功率模块开关频率,从而在保证子模块电压合理波动的前提下,明显减小子模块开关器件的动作次数,降低子模块的开关损耗。最后,通过仿真和实验对该控制策略的有效性进行验证,结果表明:在保证电容电压波动较小、系统稳定运行的同时,该策略可大大降低子模块开关频率,减小开关损耗。     

子模块混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略

半桥和全桥子模块混合型模块化多电平换流器在具备直流故障穿越能力的同时降低了开关器件的数量。介绍其拓扑结构以及子模块数量的确定方法。阐述半桥和全桥子模块阀段自身平机理和调制电压基本分配原则,并结合最近电平逼近调制提出一种半桥和全桥阀段间平衡的控制策略。分析直流故障期间换流器的等效电路,为了减少暂态期间直流故障电流对子模块电容电压平衡的影响,提出一种基于虚拟电阻的优化控制策略。整个故障穿越期间无需闭锁换流器,且还能持续保证交流系统对无功功率的需求。基于PSCAD/EMTDC,搭建两端子模块混合型模块化多电平换流器HVDC仿真模型,针对双极直流短路工况进行仿真分析,验证了所提出的控制策略的有效性。     

基于SSPFM电容均压的MMC-HVDC系统模型预测控制策略

针对模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)系统采用双闭环PI控制参数存在整定难和动态响应慢的问题,提出了一种应用于MMC-HVDC的模型预测控制方法。但模块电容均压排序在具有大规模桥臂模块数的模型预测控制(MPC)策略中存在局限性,提出了希尔排序优化质因子算法(SSPFM)电容均压分组排序方法,通过SSPFM-MPC控制策略,使MMC-HVDC系统具有良好的动态功率响应性能,实现了子模块电容电压均衡与环流抑制之间的良好协调。在PSCAD/EMTDC中搭建了两端401电平MMC-HVDC仿真模型,通过SSPFM-MPC将电压排序的MPC模型的401种组合状态减少到了36种,且系统动态响应良好,验证了所提方法的正确性。     

基于附加电平MPC的MMC环流抑制与子模块双重均压控制

针对模块化多电平变换器的相间环流与子模块电压波动问题,提出了基于附加电平模型预测控制的环流抑制策略,利用附加的补偿电平实现总子模块数的实时更新,达到环流抑制目的;同时,将相间均压与相内子模块均衡作为子模块的第一重均压控制,再将所投入的子模块电压排序处理构成第二重均压控制。通过分析模块化多电平变换器的桥臂环流与桥臂电压之间的关系以及子模块电压波动的弊端,提出了环流抑制与子模块均压控制策略。最后,在Matlab/Simulink中搭建了31电平的模块化多电平变换器系统仿真模型,验证了所提策略的可行性与有效性。     

基于箝位双子模块的MMC-HVDC起动控制策略

分析了基于箝位双子模块的MMC-HVDC正常自励起动过程,将起动过程分为两个基本阶段,即不控充电阶段和可控充电阶段。利用电路原理方法化简了不控充电阶段的系统等值电路,推导了最大充电电流与限流电阻之间的关系,并指出在该阶段由于二极管箝位作用电容无法充电至额定状态。设计了三种可控充电方法以对电容继续充电获取足够的能量,其中方法一利用直流电压控制器和调制均衡策略,而方法二和方法三则通过改变充电回路中等效内电势和等效电容实现电容完全充电。为充分发挥系统故障穿越能力,设计了直流侧暂时性和永久性故障后的系统自动再起动控制时序。在PSCAD/EMTDC中搭建两端有源的MMC-HVDC系统,仿真结果表明所提出的起动控制策略效果良好。     

基于SSPFM电容均压的MMC-HVDC系统模型预测控制策略EI北大核心CSCD

针对模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)系统采用双闭环PI控制参数存在整定难和动态响应慢的问题,提出了一种应用于MMC-HVDC的模型预测控制方法。但模块电容均压排序在具有大规模桥臂模块数的模型预测控制(MPC)策略中存在局限性,提出了希尔排序优化质因子算法(SSPFM)电容均压分组排序方法,通过SSPFM-MPC控制策略,使MMC-HVDC系统具有良好的动态功率响应性能,实现了子模块电容电压均衡与环流抑制之间的良好协调。在PSCAD/EMTDC中搭建了两端401电平MMC-HVDC仿真模型,通过SSPFM-MPC将电压排序的MPC模型的401种组合状态减少到了36种,且系统动态响应良好,验证了所提方法的正确性。     

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。     

适用于MMC-HVDC的优化均压策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的子模块均压效果和绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)开关频率是两个相互制衡的重要指标。提出了一种在保证子模块均压效果的基础上求取最优开关频率的均压策略。通过分析子模块电压均衡的基本原理,提出将同一桥臂上的子模块按照投入/切除状态分组排序,然后基于投入/切除组对应的子模块电压差、桥臂电流方向以及预设的均压效果阈值生成投入/切除组对应的最优交换值。最优交换值是在满足均压效果阈值条件下,投入组和切除组需要交换的最少模块数。基于最优交换值优化调整生成的触发脉冲可有效降低开关频率,能以最小的投切变位即最优开关频率来保证均压效果。最后通过仿真分析,构建基于RTDS实时仿真系统的MMC-HVDC硬件在环半实物仿真平台和背靠背柔性直流输电实验平台,验证了所提策略的有效性。     

适用于高压大容量MMC-HVDC系统的改进低开关频率均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于柔性高压直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统时,具有功率模块数量多、桥臂电流大等特性,导致换流阀开关损耗高、开关器件散热困难。传统排序均压算法功率模块投切为随机过程,开关频率很高,难以满足实际工程需求。首先分析MMC功率模块的充放电规律,分析功率模块投切对电容电压均衡控制的影响机理;在此基础上,推导传统电压排序均压算法的开关频率上下限解析式。对现有的一种固定功率模块轮换数的低开关频率均压算法,分析开关频率和均压效果的优缺点。然后,通过推导功率模块轮换数与均压特性的关系式,提出一种改进的低开关频率均压策略。该策略在开关频率下限解析式的基础上,通过闭环控制每个控制周期功率模块轮换个数,实现MMC均压特性和开关频率的优化控制。最后,利用±350 k V 1000MW MMC-HVDC系统实时硬件在环(real-time hrdware in the loop,HIL)仿真测试系统,对两种低开关频率均压策略进行对比验证。     

三相模块级联型固态变压器均压/均功率控制策略研究

三相固态变压器是适用于智能电网的一种新型的智能电力电子设备,一般包括整流输入级、双有源桥DAB(dual active bridge)直流级和逆变输出级。为解决固态变压器在大功率传输和高输入交流电压工作条件下的高频功率开关管电压电流应力问题,一般采用多模块级联的拓扑结构,但这种拓扑给固态变压器带来了模块间的电压和功率不平衡问题和导致开关管过压过流及电网电流谐波增加等问题。为解决三相模块级联型固态变压器电压、功率的不平衡问题,提出一种新颖的控制策略。输入整流级采用一种基于共同占空比的三相dq0控制策略以保证输入交流电流三相对称,DAB级采用一种基于电压跟随的移相控制方法以实现模块间电压平衡,两级控制策略相配合以实现各模块间电压、功率平衡。仿真和实验均验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于动态范围分段排序的MMC子模块均压排序法

模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)系统的子模块电容电压均衡控制算法(voltage balancing algorithm,VBA)是保证MMC正常运行的重要方式。随着柔性直流电压等级的提升,单桥臂子模块数量相应增加,对算法的有效执行带来了巨大挑战。基于动态范围分段方式提出了一种快速排序方法,根据排序元素分布范围的有限性及变化规律,通过引入动态范围分段的方式,利用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)内部丰富的随机存取存储器(random access memory,RAM)资源,实现了快速动态范围分段排序,同时平衡了FPGA所消耗的资源。对比分析了与其他排序算法在排序精度、消耗时间与FPGA资源消耗方面的特性。基于RT-Lab仿真平台的仿真结果验证了本文提出的动态范围分段排序方法的有效性与正确性。     

MMC-HVDC子模块故障诊断与就地保护策略

子模块故障是模块化多电平换流器高压直流输电(modular multi-level converter based HVDC,MMC-HVDC)常见故障之一,其迅速及时的诊断及可靠的就地保护是保证系统稳定运行的重要条件。针对MMC-HVDC的子模块故障诊断与保护问题,分析了子模块故障特性,基于故障特性分析,根据每个控制周期内电容电压增量的理论值和实际值,提出一种子模块故障诊断判据来实现电容短路失效、IGBT开路以及桥臂直通短路等故障的诊断;提出一种排除法实现对续流二极管、电容开路失效或子模块内连接线开路等故障的诊断和定位。设计了冗余子模块"热备用"运行时的子模块就地保护策略。基于PSCAD/EMTDC搭建了双端21电平MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的策略能快速实现子模块故障的诊断并进行可靠的就地保护,保证系统的稳定运行。     

基于最大电压偏差裕度的MMC子模块均压优化算法研究

根据模块化多电平换流器(MMC)的运行原理,针对传统子模块电容电压排序算法存在器件开关频率高、从而引起开关损耗较大的问题,本文提出一种基于最大电压偏差裕度的均压优化算法。该算法考虑了子模块上一时刻开关投切状态以及各子模块电压之间的差值,可以在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,避免IGBT不必要的反复投切,有效降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗,从而提高系统运行效率。本文通过在Matlab/Simulink平台上搭建21电平的MMC仿真模型进行了仿真,仿真结果验证了均压优化算法的正确性和有效性。     

MMC子模块均压及相间环流抑制方案研究

模块化多电平变换器(MMC)由于子模块数目较多,因而存在子模块电容电压不均衡的问题,由此又引起相间环流。针对传统直接排序均压算法会造成较高的开关频率,对其进行优化,通过引入子模块电容电压不均衡度因子降低系统开关频率。在此基础上,提出一种简单高效的基于准比例谐振(QPR)控制的相间环流抑制策略,实现相间环流的无静差跟踪。通过搭建仿真模型进行验证,仿真结果表明,所提控制方案具有良好的均压及环流抑制效果。     

MMC的新型模型预测控制与子模块优化均压

模块化多电平换流器(MMC)的模型预测控制是一种有效的非线性控制方法,但电容电压平衡控制效果不理想,当控制系统中存在多个控制目标时,系统最优控制目标函数选取存在一定困难。针对以上问题,提出了一种外环采用新型神经元比例-积分-微分(PID)控制、内环采用电流模型预测控制的双闭环控制策略。首先推导了考虑电容充放电过程的MMC离散状态方程;其次将综合考虑控制目标电流跟踪、子模块(SM)均压和器件开关频率建立了代价方程,针对控制目的侧重点不同,同时保证其他指标满足系统要求,设计了3种控制参数方案以供选择。最后通过搭建9电平MMC仿真控制系统和小功率实验平台对所述理论进行验证。结果表明了此处所提控制方案的有效性和可行性。     

改进的MMC子模块电容参数设计和均压方法

通过对模块化多电平变换器(MMC)的工作原理和主电路结构进行理论分析,推导出其数学模型,研究适用于MMC的脉宽调制技术。在已有的换流器桥臂功率脉动公式基础上,分别对工作时MMC子模块电容瞬时电压的直流和交流分量进行能量分析,推导出子模块电容值的上下限值公式;在最近电平逼近调制方法下,研究电容均压问题,引入延时模块和组内电压差上限,以子模块投入数的改变作为产生触发脉冲的前提,提出一种切实可行的电容电压平衡方法,有效降低功率器件投切频率,达到降低开关损耗的目的。最后,Matlab仿真及硬件实验验证了上述改进方法的有效性和可行性。     

基于MMC的SVG子模块电容预充电控制策略

正针对基于模块组合多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)的静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)提出了一种新型的桥臂子模块预充电控制策略。基于瞬时无功功率理论,通过在ip轴上叠加有功分量的方法,实现为系统充电的目的。以直流侧三级电压控制为基础建立系统能量分配的数学模型,并对三级电压控制的控制     

基于DSOGI-FLL的MMC-HVDC故障控制策略研究

在MMC-HVDC输电系统的交流侧发生不对称短路故障时,系统的电流和有功功率出现二倍频振荡。采用基于锁频环的双二阶广义积分器(DSOGI-FLL)对换流站的正、负序虚拟磁链进行估算。利用虚拟磁链来计算内环控制器的电流给定值,不仅能够抑制故障时流向换流器的有功功率二倍频振荡,而且能够有效抑制故障过电流。在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型并进行了必要的实验验证,结果表明此策略能有效抑制故障过电流及有功功率的二倍频振荡,提高了系统的运行稳定性。