低直流电压下混合型MMC器件损耗分布优化控制

低直流电压运行工况下,混合型模块化多电平变换器(MMC)器件损耗分布不均匀,逆变工况下,半桥子模块(HBSM)下部绝缘栅双极型晶体管(IGBT)损耗尤为突出,降低了换流器运行可靠性。为此,提出一种全、半桥模组输出电压差异化控制与HBSM降压相结合的损耗分布优化方法。首先计算低直流电压下混合型MMC的器件损耗。然后利用全、半桥模组输出电压差异化控制降低目标器件的通态损耗。分析发现,差异化控制降低通态损耗的同时会增加器件开关损耗,因此结合HBSM电容降压减小其开关损耗,使器件损耗优化效果达到最佳。最后,通过小功率实验平台验证所提方法的有效性。

一种具备直流故障阻断能力的混合型桥臂拓扑

为使模块化多电平换流器具有直接阻断故障电流的能力,提出一种由钳位双电容子模块与半桥子模块混合的模块化多电平换流器桥臂拓扑设计方案。首先,介绍了钳位双电容子模块的结构和运行特性,进一步提出混合型桥臂拓扑的桥臂设计方案;其次,考虑成本及损耗,对钳位双电容子模块与混合型桥臂设计方案的经济性进行了对比分析;最后,在MATLAB仿真平台上构建柔性直流输电模型,验证了所提混合型桥臂设计方案的可行性。

混合型MMC降压运行特征及控制策略

针对由全桥子模块和半桥子模块构成的混合型换流器,重点分析了降压运行情况下可能出现的半桥子模块无法均压问题,提出了一种混合型换流器降压运行控制策略。首先建立了混合型换流器的桥臂电流数学模型并分析了其特征;针对混合型换流器在降压运行时可能出现的桥臂电流仅为正或仅为负的情况,利用柔性直流模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)无功控制灵活的特性提出了采用无功补偿的控制策略,实现了桥臂电流的有正有负。最后在PSCAD/EMTDC中建立了柔性直流混合型换流器的模型,仿真结果表明,所提控制策略在直流系统大幅降压运行情况下可保证子模块均压要求,避免直流降压运行过程中出现子模块无法均压的情况。

一种基于环流注入的全桥型MMC降容优化设计

为降低全桥型MMC各子模块电容体积,提高全桥型MMC功率密度,基于调制比和环流对电容电压波动影响机理,提出一种特定相位及幅值环流注入的方法,降低了各子模块滤波电容电压波动。为验证所提方法的正确性,在额定工况及单位功率因数条件下,对所提方法进行了仿真实验,仿真结果表明,采用新的降容措施后,电容电压波动范围缩小20%,纹波系数减小至30%,电容容量减小20%。

混合型MMC器件损耗分布优化控制方法

全桥-半桥1:1混合型MMC在正常稳态下工作于半桥型MMC模式,全桥及半桥子模块充放电行为几乎一致,子模块器件损耗分布极不均衡,特别是在逆变工况下,半桥子模块下部IGBT损耗尤为突出。为此,提出了基于全、半桥两类子模块差异化控制的器件损耗分布优化方法。首先,解析计算子模块器件损耗,以明确损耗不平衡的原因。其次,为改善器件损耗分布,在不影响设备输出外特性前提下,提出全/半桥模组解耦控制方法。然后,通过分析模组平均开关函数对器件通态及开关损耗的影响机理,以降低半桥子模块下部IGBT损耗为目标,推导出最优模组平均开关函数。最后,通过MATLAB/Simulink及PLECS仿真验证解耦控制策略的可行性及其对损耗分布优化的有效性。

具备有载调压功能的LCC-HVDC拓扑及控制策略

随着近年来高压直流输电的快速发展,换流变压器有载分接开关频繁动作导致故障数量明显增加,直接影响了直流工程的可靠性与电网的安全运行。运用(modular multilevel converter,MMC)模块化多电平可控电压源技术和基本原理,提出了一种新型具备有载调压功能的(line commutated converter based high voltage direct current,LCCHVDC)直流输电的拓扑结构和控制策略,实现了对电网侧电压的补偿,当交流母线电压降低时,无需调节变压器分接开关而维持阀侧电压在额定值水平,大大降低了分接开关的动作次数,提高了工程运行的可靠性。以CIGRE直流输电标准模型为算例,分析了提电压补偿在传统LCC-HVDC直流输电系统中应用的机理,验证了该控制策略的正确性和有效性。

一种改进型MMC子模块拓扑研究

针对传统模块化多电平变流器(MMC)在系统直流侧发生短路故障无法通过闭锁手段阻断故障电流的问题,提出了一种具备直流故障清除能力的改进型子模块拓扑。相比传统的全桥MMC子模块拓扑,该拓扑具备与半桥子模块(HBSM)相同的控制结构,控制更加简单,且在故障闭锁后子模块电容能够有效的给桥臂二极管提供反向截止电压,达到故障清除的效果,增强了系统的运行可靠性。最后通过相关实验和仿真验证了新型子模块直流侧故障自清除的有效性。

一种能够阻断直流故障电流的新型子模块拓扑及混合型模块化多电平换流器

针对常规半桥型模块化多电平换流器无法隔离直流故障电流的问题,提出一种新型的应用于模块化多电平换流器的自阻型子模块拓扑,并列出自阻型子模块的4种结构。这4种类型的自阻型子模块在隔离直流故障电流时,需要同时闭锁IGBT的触发脉冲。为了降低触发同时性的要求,进一步提出无需同时闭锁IGBT触发脉冲的2种增强自阻型子模块拓扑。模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)的全部子模块采用增强型子模块时所使用的电力电子器件较多,为了进一步减少MMC中电力电子器件的数量,提出一种由增强型子模块和常规半桥子模块构成的混合型MMC。PSCAD/EMTDC下的仿真研究表明,所提出的自阻型子模块、增强型子模块及混合型换流器能有效隔离直流故障。相比于常规半桥型MMC,该混合型MMC仅需提高25%的IGBT即可具备隔离直流故障电流的功能,因此具有良好的工业应用价值。

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。

基于中压直流配电网的MMC调制策略研究

模块化多电平换流器已在直流输电场合得到广泛研究,现今为止已取得不少工程应用。文中介绍了模块化多电平换流器及其子模块的拓扑结构和工作原理。搭建了基于PSCAD/EMTDC的两端模块化多电平换流器仿真系统,实现了两种最常用的调制策略的比较。比较了不同调制方式下两端系统逆变侧输出电压、输出电流、A相桥臂电流及各桥臂子模块的电容电压波动情况。对模块化多电平换流器在中压直流配电网中的工程应用有一定参考价值。

基于混合式MMC的混合高压直流输电系统启动策略

针对与有源系统相联的混合直流输电系统,以全桥子模块和半桥子模块混合的模块化多电平换流器(MMC)为例,详细分析了其预充电启动过程,给出了每个阶段直流电压的一般数学表达式,从数学上证明了其与半桥子模块或全桥子模块构成的MMC的内在联系。分析了基于全桥子模块和半桥子模块混合的MMC在不同混合比例下其预充电过程中可能存在的过压或欠压问题,提出了5种解决措施。同时就混合直流输电系统运用于向无源系统供电和作为"黑启动"电源的应用场合,分析了其预充电启动过程,并提出了具体实现方法。最后通过PSCAD/EMTDC对相关分析进行了仿真验证。

一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统

现有三极直流输电系统基于晶闸管换流器,存在一些与传统直流输电系统相似的固有缺陷。文中提出了一种改进系统:极3采用基于全桥子模块的模块化多电平换流器,极1和极2采用基于钳位双子模块的模块化多电平换流器。同时,提出了三极直流协调控制策略,并且为了抑制过渡阶段的暂态过电压,减小接地电流和功率波动,还提出了电压反向控制、电流维零控制和功率协调控制。采用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,结果表明利用所提控制策略,三极直流输电系统能够获得较好的响应特性,在维持电容电压平衡的同时,能够抑制交直流间功率扰动和接地极电流波动。

双半桥与并联全桥子模块混合MMC均压与直流故障控制研究

子模块混合型模块化多电平换流器高压直流输电（modular multilevel converter HVDC,MMC-HVDC）兼具直流故障穿越能力和较好的经济性,然而当子模块数目众多时,面临控制器排序均压计算量大和传感器实时性要求高等问题。该文针对由双半桥子模块和并联全桥子模块构成的新型混合MMC,分析其并联均压特性,在此基础上提出新型混合MMC的阀段间和阀段内均压控制策略;通过分析子模块闭锁特性,设计直流故障控制策略。在PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果表明,采用所提均压控制策略可在有效降低对控制器性能和传感器精度要求的前提下,实现新型混合MMC子模块电容电压全局良好均衡,并验证了直流故障穿越控制策略的有效性。

模块化多电平变流器高压直流输电系统直流故障改进控制策略

针对模块化多电平变流器高压直流(MMC-HVDC)输电系统直流故障,首先建立全桥型MMC-HVDC系统的详细数学模型,并对故障期间系统过电压或过电流的产生机理及其发展过程展开深入分析,分析结果表明:在直流双极短路和单极接地故障期间,MMC-HVDC系统正、负极直流母线电压与MMC上、下桥臂电压的直流分量不匹配,导致桥臂电容迅速放电,进而引起系统严重过电流。因而提出在直流故障期间将MMC上、下桥臂实行分离控制,并使上、下桥臂电压的直流分量跟随正、负极直流母线电压而变化,从而实现MMC-HVDC系统直流故障下的安全、稳定运行,所提控制策略实现了MMC-HVDC系统三种直流故障穿越控制的有效简化和统一。另外,为提升直流单极接地和断线故障条件下MMC-HVDC系统的经济运行能力,进一步提出了一种新型功率指令优化策略。最后基于PSCAD/EMTDC仿真证明了所提MMC-HVDC系统直流故障控制策略以及功率指令优化策略的正确性与可行性。

增强型柔性逆阻模块化多电平换流器的故障阻断特性分析

鉴于传统半桥型模块化多电平换流器(HBSM-MMC)无法阻断直流故障电流的不足,通过对半桥子模块进行改造并增加桥臂阻尼模块(BDM),提出一种增强型柔性逆阻MMC(EFRB-MMC)拓扑,就其故障阻断特性展开详细研究。首先,分析EFRB-MMC的工作原理和故障阻断机理,推导故障电流和钳位电压解析式;然后,在故障阻断时间和器件电气应力研究基础上,进一步提出EFRB-MMC的关键参数设计原则;最后,仿真结果证明上述理论的有效性。

低开关频率下三电平逆变器的中点电位控制

为减少大功率变换器功耗,需降低器件开关频率,但将造成输出侧电流谐波含量显著增加,影响三电平逆变器中点电位控制精度。为解决这一问题,以二极管箝位型三电平逆变器为对象,在分析低开关频率对中点电位影响的基础上,明确了三电平逆变器低开关频率分段调制的理论分界点。针对低调制度区域所采用的常规SVPWM算法,提出了一种基于桥臂优化选取的中点电位控制方法,该方法只需判断中点电位差,无需引入输出侧电流,从而避免了低开关频率下电流畸变严重对电流极性的影响,有效保证了中点电位平衡。仿真及实验验证了该中点控制方案在开关频率500 Hz时,仍能保持较好的中点电位误差在1%Vdc之内。

直流断路器的基本原理和实现方法研究

直流断路器是直流电网的核心元件,为此,深入研究了直流断路器的基本原理和实现方法。首先从理论上论述了直流电流开断的2条基本途径;其次介绍了基于故障通路串入无穷大电阻断流法的直流断路器实现方案;接着针对基于故障通路串入电容改变直流故障电流性质法提出了3种原理上可行的技术方案;最后对比分析了几种典型直流断路器的经济性。研究结果表明：（1）开断直流故障电流的基本途径主要有2条,其一是在直流故障电流通路中串入无穷大电阻实现断流,其二是在直流故障电流通路中串入电容改变直流故障电流性质实现断流;（2）目前已运用在实际工程中的直流断路器都是基于故障通路串入无穷大电阻断流法;（3）具有故障自清除能力的模块化多电平换流器是基于故障通路串入电容改变直流故障电流性质法;（4）基于串入电容的途径,提出了3种原理上可行的直流断路器,其一是由增强型半桥子模块串联构成的直流断路器,其二是包含正常通流支路的串入电容型直流断路器,其三是包含正常通流支路和主转移支路的串入电容型直流断路器;（5）在所比较的直流断路器中,包含正常通流支路和主转移支路的串入电容型直流断路器的经济性最好。该研究结果可以为直流断路器的研发与制造提供参考。

高压直流输电模块化多电平换流器拓扑研究

基于VSC(Voltage Source Converter)的高压直流输电为解决大规模清洁能源并网等问题提供了新方法,现已投运的VSC-HVDC工程无法有效处理直流故障。阐述传统H-MMC拓扑无法快速有效阻断直流侧故障电流的原因,重点对比分析目前已提出的3类具备直流侧故障切除的改进型换流器拓扑结构的共性与不同点,研究其清除直流侧故障的机理。通过PSCAD/EMTDC软件对不同拓扑组成的换流器进行仿真分析,验证了提出的换流器阻断直流侧故障电流的机理,改进型拓扑组成的换流器具有较好的应用前景。

基于动态偏置分配PD-PWM的变桥臂换流器子单元电容均压策略

变桥臂多电平变流拓扑(A2MC)是一类采用全桥子单元级联结构和IGBT串联型导向开关结构相结合的新型多电平变流器拓扑。针对其全桥子单元级联结构电容电压均衡的问题,提出了一种新型简单有效的PD-PWM桥臂调制方法。与传统的调制策略相比,该调制方法更容易实现,具备更好的动态特性,并且大幅降低计算时间,该调制策略在各类全桥子单元级联结构中具备强可移植性。仿真和实验结果验证了这种新型调制策略的简单性和有效性。

稳态运行和直流故障下桥臂交替导通多电平换流器的控制策略

寻找一种可有效处理直流侧故障的拓扑结构是目前电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)工程应用中的关键性问题。桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)具有能够处理直流故障、模块电容数量少、占地空间小等优点,具有广阔的发展前景。针对目前AAMC有关主回路参数确定运维控制等内容有关文献研究不多的情况,首先对AAMC拓扑结构和基本原理进行研究和分析,推导了直流电压和交流阀侧电压的最优关系并分析了子模块数量选取原则;其次研究了稳态运行时正弦波形成电路和导通开关协调配合,并提出了基于电压极性选择的子模块均衡策略;接着分析了直流故障下的控制策略,指出故障期间闭锁导通开关中的IGBT,并通过桥臂模块产生负电平利用串联二极管的反向阻断能力能够完成直流熄弧过程。最后在PSCAD/EMTDC搭建15模块AAMC系统模型,仿真结果验证了设计原则和控制策略的有效性。