MMC子模块电容电压波动及谐波研究

[目的]柔性直流的快速发展为MMC(Modular Multi-Level Converter,模块化多电平变流器)拓扑确定了实践支撑。文章以半桥MMC换流器为例,研究MMC稳态电容电压波动、谐波交互规律及桥臂开关函数的关系,以对MMC系统设计、控制策略给予理论支持。[方法]通过建立子模块电容电压、桥臂开关函数的解析表达式,得到MMC换流器上下桥臂能量波动及电容电压波动的数学近似表达式,进而研究了上下桥臂电流、交流阀侧、直流侧中各次谐波的分布规律及相间环流的正负序关系,基于谐波公式得到二次环流的估算方法;进一步,采用变量对照法研究了桥臂开关函数、子模块电容电压随阀侧功率因数、子模块电容大小的变化关系;最后基于实际工程参数搭建了详细的PSCAD/EMTDC模型,开展了理论解析与离线仿真的一致性对比。[结果]研究表明:MMC相间环流只含偶数次谐波,且其中6k+2次环流呈负序、6k+4次环流呈正序、6k次环流呈零序特性,同时稳态下MMC阀侧出口交流电压电流只含奇数次谐波,MMC直流侧电压电流只含偶数次谐波,且在功率因数角φ<0的某些范围内桥臂开关函数峰值会大于1,在低功率因数下子模块电容电压波动峰值大于高功率因数下的波动。[结论]可由此开展换流器电容容值的选型设计及暂稳态策略研究,并通过理论解析掌握MMC拓扑的运行本征特性。

模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析

为了分析模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块电容电压波动和内部环流的基本成分,以开关函数为出发点,对电容电压波动和环流进行了数学分析。分析结果表明:基频波动和2倍频波动是电容电压波动的基本成分,并得出其解析表达式;内部环流仅包含偶次谐波成分,且以2次谐波环流为主,并给出其幅值的解析表达式。针对环流对MMC运行的影响,分析了MMC交流侧相电压中的谐波成分,结果表明环流导致MMC输出相电压中的奇次谐波含量增大,尤以3次谐波最为明显,且给出了3次谐波幅值的计算表达式。仿真结果表明上述理论分析是准确的,为子模块电容值和桥臂电感的选取提供了理论基础。

基于能量平衡的降低模块化多电平变换器子模块电容电压波动控制策略

电容器是模块化多电平变换器(MMC)子模块的关键部件,降低子模块电容电压波动是提高电容器可靠性和降低变换器成本的双重要求。首先分析不同环流对MMC电容电压波动的影响,指出注入典型2次环流是降低电容电压波动和减少器件损耗较好的折中方案。然后,在介绍已有基于工频周期的能量平衡控制策略基础上,提出基于控制周期的能量平衡控制策略,在达到注入典型2次环流降低MMC电容电压稳态波动的同时又能取得较好的暂态性能。所提出的基于能量平衡的控制策略,与常规PI控制器相比避免了繁琐的参数整定过程,并适应各种工况。最后,通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。

NPC型三电平逆变器容错控制模式下的母线电容电压波动分析及其抑制

在给出故障重构和容错控制策略的基础上,重点建立NPC型三电平逆变系统的数学模型,并给出同步旋转坐标系下的等效电路,分析故障前和两类故障容错控制后母线电容电压的波动机理,并给出统一的母线电容电压波动的抑制策略。通过实验对理论推导的母线电容电压波动规律及两类容错控制模式下母线电容电压波动抑制策略进行验证。结果表明,故障和容错控制模式下控制母线电容电压波动的关键在于通过注入零序电压来控制等效并联导纳相等。

低频工况下MMC电容电压波动抑制研究

以MMC的动态模型为出发点,分析了子模块电压波动与MMC交流侧频率、交流侧输出电流幅值关系,提出了一种低频工况下MMC电容电压波动抑制控制策略。该控制策略通过在MMC交流侧注入方波共模电压分量和正弦环流分量对电容电压波动进行抑制,注入的环流分量由共模频率分量和共模三次谐波分量组成。仿真表明,该控制策略不仅能有效抑制子模块电容电压的波动,改善MMC输出电压的波形,而且能够使系统稳定运行。

STATCOM直流侧电容值对系统谐波含量和电容电压波动幅值的影响及其选择

使用PSCAD/EMTDC软件建立一个利用静止补偿器STATCOM(STATicCOMpensator)进行无功补偿的仿真系统,分析了不同STATCOM直流电容值对系统谐波含量和电容电压波动幅值的影响,得出了系统谐波含量和直流电容电压波动幅值随电容值的变化规律,提出了根据降低STATCOM出口端电压的谐波含量和保持直流电容电压波动幅值在一定范围内的要求来选择其电容值的方法,由该方法得出的仿真系统中STATCOM的电容值跟按其他直流电容选择方法所得的结果相符。仿真系统中的STATCOM在该电容值下有较好的工作性能。

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。

抑制MMC电容电压波动的耦合谐波注入策略

谐波注入策略是抑制模块化多电平换流器(MMC)子模块电容电压波动的有效手段。现有谐波注入策略常忽略二次谐波电压,这会导致理论模型产生误差进而影响电容电压波动抑制效果。为充分发挥谐波注入策略优势,提出了一种考虑二次谐波电压的耦合谐波注入策略。首先建立了二次谐波电流和三次谐波电压注入后的MMC桥臂功率波动模型,并且在模型中考虑了注入二次谐波电流后引起的二次谐波电压分量。根据调制比和桥臂电流应力限制,分别给出了三次谐波电压和二次谐波电流的约束。在此基础上,以抑制桥臂功率基频分量和二次谐波分量为目标,提出了耦合谐波参数的选取方法。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提策略的有效性和通用性。结果表明:所提策略相较于已有文献所提策略能进一步抑制22.09%的电容电压波动,适当增大桥臂电流可以更好地抑制电容电压波动。

低频低压条件下抑制MMC电容电压波动的非对称控制

模块化多电平换流器(MMC)应用于电机低频驱动时会工作于低频低输出电压状态,采用传统的对称控制方式时,因受直流侧高压影响会产生较大的电容电压波动。为此,提出一种非对称控制方式,使一桥臂不产生输出电流,另一桥臂承担几乎所有的输出电流。该方法中MMC不需要任何其他的功率交换技术,例如在低频/低压情况下通常采用的高频注入方法,以抑制电容电压的波动。详细讨论了非对称控制方法的实现过程、桥臂间的功率控制以及该方法的优缺点,仿真及实验结果表明,所提控制方法适用于电机20 Hz以下的驱动状态。

混合MMC子模块电容电压波动耦合抑制策略

降低模块化多电平换流器(Multilevel Modular Converter,MMC)中子模块电容电压纹波幅值,能够降低电容器容值、体积设计要求从而降低经济成本,具有一定的工程研究意义。混合MMC由半桥以及全桥子模块构成,因其具备直流故障无闭锁穿越能力,已成为当前的研究热点。首先建立二倍频环流和三倍频电压混合注入的MMC数学模型,给出二倍频环流和三倍频电压注入约束范围。在此基础上,通过分析桥臂瞬时功率基频、二倍频波动分量的通用抑制策略,进一步给出了基频和二倍频波动分量同时抑制的理论最优解。由于注入量的限制,不同工况下的解状态不同,因此提出基于工况判断的子模块电容电压波动分区抑制方法,注入量的最优选取不受限于具体调制比。最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端混合MMC模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提优化方法的有效性。

模块化多电平型变流器电容电压波动及其抑制策略研究

以模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)上下桥臂的功率流动和能量波动为出发点,得到模块化多电平变流器上下桥臂子模块电容电压波动的数学模型。分析子模块电压波动与MMC传输功率、内部环流等物理量之间的关系。提出通过控制MMC内部环流的二次分量来抑制子模块电容电压波动的控制策略,通过测量相电流瞬时值和相电压调制值得到内部环流参考值,引入准比例谐振(Proportional-Resonant,PR)控制器进行环流闭环控制从而抑制子模块电容电压波动。该控制策略无需坐标变换,无交叉耦合项,简化了控制器的设计。仿真表明,在保持子模块电容大小不变的前提下,该控制策略能有效抑制子模块电容电压的波动,改善MMC输出的交流电压波形质量。

混合MMC电容电压波动差异机理及抑制策略

降低模块化多电平换流器(MMC)中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对子模块电容器容值、体积、成本的需求,具有重要的研究价值。文中首先分析了混合MMC过调制下半桥子模块与全桥子模块的电容电压波动特性以及两种子模块间的波动差异产生机理,确定波动差异对应的能量积累区间。然后分类讨论三次谐波电压注入后桥臂参考电压的极值点分布和过零点分布,建立三次谐波电压注入系数、调制比与波动差异抑制能力的关系。在此基础上,以减少半桥子模块与全桥子模块电容能量积累差异为目标,对三次谐波电压注入量进行优化设计,提出了基于三次谐波注入优化的子模块电容电压波动差异抑制策略,并给出电容容值降低的计算示例。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端混合MMC模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。

特定次谐波注入抑制模块化多电平换流器电容电压波动

模块化多电平换流器(MMC)电容电压波动抑制有助于降低电容器体积/重量,降低换流阀设备投入成本。推导了换流阀子模块电容电压波动分量及影响因素,分析了二倍频环流注入、三次谐波注入对子模块电容电压波动及换流阀的影响,提出的特定次谐波注入方法,可显著降低换流阀子模块电容电压波动,且桥臂电流峰值和有效值控制在允许范围内。以张北柔直工程参数为例,通过PSCAD仿真比较了环流抑制为零、二倍频环流注入、特定次谐波注入情况下的电容电压波动、桥臂电流有效值和桥臂电流峰值,验证了所提方法的正确性和有效性。

基于微分平滑理论的MMC电容电压波动无源一致性控制方法

以模块化多电平换流器(MMC)电容电压波动抑制为目标,设计了微分平滑控制律,通过构建电容电压波动与注入环流间的非线性平滑映射关系,实现存在不确定性输入干扰或未建模误差情况下注入环流期望轨迹的快速准确求取,解决了数值解析法计算复杂的问题。为实现注入环流期望轨迹快速跟踪,设计了形式简单的无源性控制律,以最小内部能耗满足子模块电容电压波动抑制需求;为提升三相电容电压跟踪同步性,将相邻相的注入环流期望轨迹跟踪误差作为状态误差引入无源性控制律,提出了无源一致性控制方法,实现MMC电容电压波动抑制和三相电容电压均衡双目标,同时确保闭环控制系统全局渐近稳定。基于MATLAB/Simulink仿真结果和基于dSPACE的实验结果验证了所提方法具有计算量小、稳定域宽、鲁棒性强、同步性好的特点。

MMC子模块电容电压波动特性研究

模块化多电平变换器(MMC)中子模块的电容由于悬浮布置,当电容上流过电流时会对电容进行充放电,从而产生较大的电容电压波动。本文利用环流与电容电压波动之间的关系,通过计算低频环流大小,对子模块电容电压的低频波动和开关频率次的波动进行了研究。最后在Matlab中搭建仿真模型,通过仿真验证了推导结果的正确性。

模块化多电平型换流器电容电压二倍频波动抑制策略研究

针对当前关于抑制模块化多电平型换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)直流电容电压波动的研究较少被涉及,提出了一种用于抑制MMC电容电压二倍频波动的控制策略。由于相单元电容电压之和反映了子模块电容电压的二倍频波动,所以采用二倍频负序旋转坐标变换将换流器三个相单元分别的电容电压之和分解为dq0轴分量,并设计了相应的附加控制器用于分别控制相单元电容电压之和的dq0轴分量,从而抑制了子模块电容电压的二倍频波动。最后通过Matlab/Simulink搭建了包含该附加控制器的MMC仿真模型,结果证明所提出的控制策略可以在不增大子模块电容值的情况下,有效地抑制子模块电容电压的二倍频波动,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生不良影响。

面向大容量直驱风电机组的机侧MMC电容电压脉动抑制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)作为大容量风电机组背靠背变频器具有良好前景,但机侧MMC运行时面临低频工况下子模块电容电压波动幅度大的难题。本文提出一种复合的二倍频环流叠加高频注入策略,通过二倍频环流注入抑制大量电容电压的二倍频纹波,并在此之上叠加高频注入进一步提高低频工况上下桥臂能量交换速度,达到大幅度降低子模块电容电压波动的目的。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建仿真模型对所提策略的有效性进行验证。仿真结果显示,二倍频环流注入可抑制44.19%的电容电压波动,叠加高频电压和高频环流注入后可进一步抑制51.6%的电容电压波动,在相同的电压波动要求下降低了对子模块电容容值的需求。所提策略在风速突变下和并网点发生暂态故障期间仍具有有效性,适用于大规模海上风电并网等场景。

混合型MMC降低子模块电容电压波动的优化策略

模块化多电平换流器(multilevel modular converter,MMC)在高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)领域得到了广泛的应用。由半桥以及全桥子模块构成的MMC因具备主动使换流器直流侧输出极间零电压以适应短路故障条件的能力,引起了国内外学者的广泛关注。首先,从混合型MMC的开关函数角度出发,对理想情况下混合型MMC进行建模,建立了子模块电容电压基频、二倍频波动数学模型,并提出单位降容比的概念,研究了调制比对子模块电容电压波动的影响。其次,提出提高调制比的抑制子模块电容电压波动配合策略,有效降低子模块电容电压波动。在此基础上,提出基于三次谐波注入的新增半桥子模块数目优化方法,减少半桥子模块的新增数目,解决了单纯提高变比带来的全桥电容电压降落的副作用。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端±160 kV混合型MMC的仿真模型,验证了所提降容策略的正确性和有效性。

UPFC有功调节对直流电容电压影响的解决方法

针对UPFC元件调节电力线路过程中存在直流电容电压波动的问题,分析了直流电容电压不平衡分量产生的机理。通过定义有功补偿度的概念,引入附加控制器,来改进UPFC并联、串联侧变流器的两闭环控制系统;对串联侧变流器的数学模型进行坐标系调整,来在线采集串联侧变流器电压环的参考值数据,进而提高串联侧有功、无功控制的解耦程度。应用PSCAD建立UPFC有功补偿的仿真系统,验证了改进后的控制系统在改善UPFC有功调节引起直流电容电压波动方面的优越性。

MMC变流器模块电压波动对输出电压的影响

为了研究模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)模块电压波动对输出电压的影响,建立了MMC的数学模型,忽略调制算法引起的高次谐波,推导了变流器输出电压的解析表达式,并针对MMC变流器实际应用过程中常采用的谐波抑制算法,简化了变流器输出电压表达式。分析表明,MMC变流器模块电容电压波动将会在输出电压中引入奇次谐波,同时将使得输出电压实际值与给定值之间出现偏差。为了度量偏差大小,定义了模块电容电压波动系数,并证明偏差大小取决于模块电容电压波动系数与输出电压调制度的比值。为了使得变流器能够正常工作,该比值应控制在一定范围以内。仿真实验的结果证明了理论推导与分析的正确性。