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。     

基于变基准值比较的MMC电容电压优化均衡控制策略

模块化多电平换流器的子模块电容电压均衡是其稳定运行的关键,传统电容电压均衡策略计算量大,器件平均开关频率高。提出一种基于变基准值比较的电容电压优化均衡控制策略,由最近电平逼近调制计算出当前投入模块的数目,并根据投入模块个数调节基准值,以此基准值为分界点将子模块电容电压序列分为两组,采用随机置乱算法对组内元素排序,根据桥臂电流方向,确定组间排序先后次序,最终确定投入模块信息。同时,通过电容电压优化函数选取合适的电容电压允许偏差阈值及调节因子,实现对器件平均开关频率和电容电压一致性的优化控制;在MATLAB/Simulink中搭建基于MMC的三相逆变器仿真模型,验证所提策略在取得良好均压效果的前提下,降低计算量,同时降低器件平均开关频率。     

MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制

介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压平衡的原理以及子模块(sub-module,SM)电容的充放电过程.指出传统的电容电压平衡控制下,子模块投切较频繁,器件开关频率较高,会造成较大的开关损耗.针对传统方法的问题,提出一种适合MMC型直流输电系统的电容电压优化平衡控制策略,将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上.对电容电压未越限的子模块,优化策略通过引入保持因子使具有一定的保持原来投切状态的能力,以降低开关器件的开关频率.使用PSCAD/EMTDC对优化控制策略进行仿真,结果表明优化平衡控制策略与传统方法相比,可以在基本不增加电容电压波动的前提下,显著降低器件的开关频率.     

基于改进排序算法的模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制策略研究

传统基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统在运行时,存在子模块电容电压均衡运算量大和子模块开关频率高的问题,据此,本文提出了一种基于快速排序算法和改进插入排序算法相结合的电容均压控制策略,通过逐次降低待排元素的数量减少计算量。在此基础上,提出一种改进保持因子的插入方法,进一步减少计算量与开关频率。最后,在MATLAB/SIMULINK搭建31电平MMC模型。仿真结果表明,基于快速排序算法和改进插入排序算法相结合的电容电压均衡策略能够在较好维持电容电压均衡的基础上,有效降低计算量。     

模块化多电平换流器子模块分组排序调制策略

针对高压大容量模块化多电平换流器调制及子模块投切问题,提出了降低子模块电容电压排序运算量的分组排序调制方法。以电容电压排序运算量最优为目标,确定换流器桥臂子模块的最优分组数量;建立分组后的子模块电容电压矩阵,并对其进行组内纵向排序、组间横向排序,形成以子模块电容电压为序的子模块矩阵;每个控制周期,根据桥臂电流参数,按照子模块电压升高或降低方向,进行子模块投入、切除控制。同时引入子模块电容电压偏差控制,以防止电容电压偏差过大并降低功率器件开关频率。通过101电平柔性直流输电系统数字实时仿真,以及37电平的柔性直流输电系统物理动态仿真,得出提出的均压控制策略可以明显降低排序的运算量以及子模块的开关频率,并能保证子模块电容电压波动量维持在额定值的-5%~5%以内。     

混合型MMC的开关频率优化控制算法

混合型MMC每一桥臂由半桥子模块（HBSM）和全桥子模块（FBSM）组成,能够在拥有低损耗、低成本等优点的同时保持故障穿越能力。其中,子模块（SM）电容均压会造成较高开关频率,导致开关损耗较大。为了解决该问题,研究了基于混合型MMC的开关频率优化排序控制策略,将保持因子引入混合型MMC模型,通过数学推导,设计了基于电容电压波动率的保持因子控制器。仿真结果表明,开关频率优化控制算法在保持均压效果的前提下,有效降低了开关频率,在高压直流输电等领域,具有科研理论意义和工程实践价值。     

一种新型模块化多电平交流侧预充电控制策略

模块化多电平换流器(MMC)具有开关频率低、运行损耗小、波形质量高、子模块易扩展、故障处理能力强等特点,在学术界和工业界得到越来越多的关注。MMC正常工作前必须要进行预充电控制,即将子模块电容电压充至额定电压值,其目的是降低冲击电流,避免设备损坏,保证系统正常运行。此处提出一种新的交流侧预充电控制策略,首先通过子模块电容电压闭环控制得到子模块的充电功率,然后通过功率守恒得到交流电网释放的总功率。同时在充电过程中考虑桥臂内均压和桥臂间功率差控制,最终实现上、下桥臂子模块电容电压一起充电。通过实验验证所提策略的正确性。     

适用于含大量子模块的MMC快速电容电压均衡策略

对于含大量子模块的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)而言,基于实时排序的传统电容电压均衡策略计算量大,降低了控制器的响应特性。为此,提出一种寻k值均衡方法,根据五分化中项的中项原则,确定处于投入和切除零界状态的模块电压大小,通过一轮比较处理从而获得需要投入和切除的模块编号信息,避免每个控制周期对桥臂模块电压的全排序操作且不会降低电容电压的控制精度。进一步,对寻k值均衡方法设定最大模块电压偏差允许值,减少器件不必要的反复投切。最后在PSCAD/EMTDC中搭建MMC模型,仿真结果表明所提出的改进策略能够以较低的计算量实现电压均衡,提高仿真运行速度,设定最大电压偏差允许值能够显著降低器件开关频率。     

一种飞跨电容型MMC的低频控制策略

飞跨电容型模块化多电平换流器(FC-MMC)在低频工况运行时,相比传统模块化多电平换流器(MMC),在抑制子模块电容电压波动方面具有不引入额外高频共模电压的优势,但依然存在引入较大高频电流问题.针对该问题,提出一种基于准比例谐振(PR)控制器的FC-MMC低频控制策略.该策略利用每相飞跨电容支路作为高频功率转移通道,通过在每相上、下桥臂内的子桥臂间注入差模高频方波电压与高频基波正弦和3次谐波混合电流的方法,在抑制子模块电容电压波动的同时,减小注入的高频电流以降低开关器件电流应力和系统损耗.另外,还给出子模块电压均衡控制策略.通过实验验证了所提控制策略的正确性.     

注入共模电压与环流的MMC电压波动抑制策略

模块化多电平换流器(MMC)的子模块(SM)电容电压波动问题一直受到广泛关注.为减小SM电容电压波动,首先通过注入共模电压使系统工作在较高调制比状态,然后根据半桥SM的MMC数学模型推导了注入共模电压后的桥臂功率解析式,从减小桥臂功率波动的角度提出了一种环流注入策略,并且给出了一种环流参考值计算方法.最后通过搭建的三相17电平MMC DC/AC实验平台对所提策略的有效性进行了验证,实验结果表明,所提方法可大幅减小SM电容电压波动幅值.相比于传统环流抑制策略,以环流峰值提升19％的代价使SM电容电压波动减小了 53.3％,相比于单一环流控制策略,SM电容电压波动减小了 36.4％.     

采用载波移相调制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的底层控制策略,研究载波移相调制(carrier phase-shift modulation,CPSM)方法及相应的直流电容电压平衡控制策略。首先,以桥臂为单位设计CPSM策略,推导出保证桥臂输出特性不变的约束条件;其次,从理论上分析控制子模块直流电容电压的原理,揭示出桥臂的能量自然平衡状态,进一步提出电容电压的附加平衡控制。在10 kVA实验室样机上进行的稳态和动态实验,验证了所提控制策略的有效性。CPSM结合电容电压附加平衡控制方法,可以使各子模块的开关频率确定,不引起额外的开关损耗,并能够避免计算量过大的问题。     

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。     

适用于FPGA的模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法

子模块电容电压均衡是模块化多电平换流器稳定运行的重要前提。针对传统均压控制方法排序计算量大、器件开关频率高的问题,从实际工程角度出发,提出了一种适用于现场可编程门阵列的新型电容电压平衡控制方法。根据正常运行时电容电压波动范围划分若干子区间,并依据实时采集到的电容电压将子模块匹配到相应的子区间分组内。在此基础上,针对电容电压在额定值附近的子模块,分组时考虑上一时刻的开关状态,并遵循尽量维持原有开关状态不变的原则进一步降低了器件的开关频率。在ML605-FPGA板卡中开发实现所提方法,并与实时数字仿真器组成硬件在环实时仿真系统。仿真实验结果验证了该方法的可行性与有效性。     

模块化多电平换流器的分频均压控制策略

随着模块化多电平换流器(MMC)子模块个数的增多,传统基于排序的均压方法存在开关频率偏高和排序计算量偏大的问题。为此提出了分频均压控制策略,使电容电压排序频率远小于触发控制频率,并从理论上给出了此控制策略的排序频率选取方法。通过厦门柔性直流输电示范工程的电磁暂态仿真算例验证了所提出的分频均压控制策略在一定范围内减小排序频率时,可以在满足MMC的运行性能及安全性的前提下,明显减小开关频率和减轻排序计算负担。     

基于有源箝位的功率器件串联均压技术

功率器件串联的关键技术挑战是如何实现串联器件的动、静态均压。提出一种基于有源箝位的器件串联均压电路及其控制方法。所述均压电路仅由1个辅助开关管和1个箝位电容串联而成,该电路与各主功率管并联。主功率管的关断电压可自动被箝位电容电压箝位,从而将器件串联均压问题转化为各箝位电容电压均衡问题。提出了一种箝位电容均压方法,利用负向电流回收箝位电容电能,并能保证辅助开关管实现零电压开通。所提均压技术具有结构简单、损耗低、模块化等优点。此外,通过调整箝位电容放电时间差异,形成阶梯型桥臂电压,以减小桥臂电压的瞬时变化率dv/dt。搭建一台 3 kV/750 V 30 kW 谐振型直流变压器样机,每个桥臂采用6个SiC MOSFET串联。实验结果表明所提均压方法在各个工况下均能实现串联器件的动、静态均压,不均压度小于3 %,且在3 kV输入电压下峰值效率达98.4 %。     

模块化多电平换流器电容电压均衡控制策略研究

模块化多电平换流器(MMC)中各个子模块的电容电压均衡问题亟待解决。在分析MMC拓扑结构及其工作原理的基础上,结合载波移相调制方法,提出了一种基于PI控制器的电压均衡控制策略。该策略包括平衡电容电压和抑制桥臂环流两部分,通过调整调制信号的波形,进而改变各个电容的充放电时间,使电容电压保持一致并跟踪其给定值。该控制策略无需对所测得的电容电压进行排序,减少了IGBT的开关频率,大大降低了系统损耗。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上对MMC系统进行验证,结果表明控制策略正确有效。     

基于DSP的九级注入式电压源型变流器

交直流变换器是FACTS和HVDC应用中的基本装置,是一种新型九级注入式电压源型变流器(MLVR-VSC),它结合多电平、软开关及注入概念适合大功率AC-DC变换的技术,解决高压换流阀中直接串接开关的动态电压平衡问题,有利于消除谐波,输出高性能的电压、电流波形。主控桥开关工作频率低,可以在零电压条件下切换,大大提高了大功率变流器的运行效率和可靠性。     

A Grouping Strategy Based on Prime Factorization for Capacitor Voltage Balancing of the Modular Multilevel Converter

The modular multilevel converter (MMC) is attractive for high-power applications because of the advantages of its high modularity and high power quality. This paper proposes a prime factorization-based grouping strategy for capacitor voltage balancing of MMC. With prime factors arranged from the largest to the smallest, the computation burden has been reduced significantly, which is proved mathematically. Then, a 401-level MMC adopting the proposed grouping strategy is implemented and evaluated in the PSCAD/EMTDC environment. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed strategy for capacitor voltage balancing performance under both steady and dynamic states. And by comparing with conventional sorting algorithm, it can be concluded that the prime factorization pattern can significantly improve the simulation efficiency. Finally, the switching frequency of the proposed algorithm is discussed.