全桥型模块化多电平换流器损耗简化计算模型研究

半导体开关器件损耗特性的非线性以及全桥子模块开关状态的多样性,对全桥型模块化多电平换流器(MMC)损耗的精确计算提出了挑战。目前常用的基于仿真软件的查表法虽然能够较准确估算MMC损耗,但计算速度慢。对此,本文提出了一种基于桥臂电流有效值和绝对值的全桥型MMC简化损耗计算模型。该模型在考虑全桥子模块在调制时输出负电平的开关状态的基础上,分别推导出换流器的通态损耗和开关损耗的数学表达式。同时在忽略二倍频谐波环流分量的前提条件下,用直观的解析表达式描述了全桥型MMC的损耗特性,并能够快速计算多种工况下的损耗。最后,本文采用简化损耗模型和基于仿真软件的查表法,分别计算换流器的损耗,并对两种计算方法之间的损耗计算误差进行分析。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提简化损耗模型的准确性。

有源型模块化多电平换流器桥臂全状态平均值仿真模型

为了提高有源型模块化多电平换流器(MMC)的仿真效率并保证足够的计算精度,提出一种适用于有源型MMC的桥臂全状态平均值仿真模型。基于动态平均化理论,首先推导了有源型MMC的桥臂平均值数学模型及等效电路模型。然后,结合装置离散化伴随模型,建立了不同运行状态下的桥臂平均值仿真模型。最后,通过电路整合和化简,得出桥臂全状态平均值模型。该模型聚焦于桥臂内部子模块的低频动态共性,能够准确反映桥臂整体暂态特性,其计算速度不受子模块个数的影响。此外,该模型还能够用于有源型MMC闭锁状态下的仿真研究。基于PSCAD/EMTDC建立的仿真实例验证了所提模型的有效性。

全桥型模块化多电平变流器低冲击电流可控充电策略研究

模块化多电平变流器(MMC)具有模块化程度高,交流输出电压谐波小,控制灵活等优点。全桥型MMC可以通过闭锁来阻断直流故障电流,具有良好的故障穿越能力。并且单个的全桥型MMC模块可以输出正、负和零三种电平,桥臂具有输出负电压的能力,具有较高的直流电压利用率。由于MMC子模块含有储能电容,启动前必须先对子模块电容充电,否则系统无法平稳安全解锁。通过分析全桥型MMC交流侧充电过程,指出了由不控充电到模块解锁后可控充电产生电流冲击的原因。在此基础上提出全桥型MMC低冲击电流可控充电策略,可使子模块电压在解锁后平滑地上升到额定值。实验验证了提出的控制策略的可行性和有效性。

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。

基于模块化多电平换流器的模块化前后沿可调高压纳秒脉冲发生器的研制

为了研究高压纳秒脉冲的前后沿时间对于离体肿瘤细胞杀伤效果的影响,需要一种能够产生前后沿可调高压纳秒脉冲的发生器。提出了一种基于半桥型模块化多电平换流器(HB-MMC)结构的新型发生器拓扑结构,通过HB-MMC子模块的级联构成2组桥臂,以产生任意极性的高压纳秒脉冲方波;采用MOSFET作为固态开关,并通过控制MOSFET的开关时序,改变导通和关断延迟时间来改变输出脉冲的前后沿。该文首先对提出的发生器拓扑结构以及工作原理进行了详细的介绍;然后采用PSpice仿真软件进行仿真验证,证实了该拓扑结构的正确性与可行性;最后研制了一台5级的脉冲发生器并进行性能测试。测试结果表明,该发生器能够输出幅值0~±4kV可调、脉宽100~500ns可调、频率0~5kHz可调的方波脉冲,且脉冲的上升沿能在15~65ns范围内平滑调节,脉冲的下降沿能在30~100ns范围内平滑调节。

基于模块化多电平换流器的直流系统故障电流分析及故障穿越测试

半桥型模块化多电平转换器(half-bridge modular multilevel converter,HBMMC)具有阻止直流链路中的短路的能力,而全桥型模块化多电平转换器(full-bridge modular multilevel converter,FBMMC)可以产生双极性电压从而阻止直流链路中的短路电流快速清除直流侧故障,是实现直流故障穿越的理想拓扑。研究极间短路故障的特征及其数学模型,提出计算故障电流的改进分析法。基于临界故障电阻分析,研究模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的传输系统的直流短路穿越的能力。分别模拟两种运行模式:第一种运行模式中MMC可以用无功功率支持交流电网,但不会传输有功功率;第二种运行模式中MMC可以在故障期间传输有功功率。在PSCAD/EMTDC软件中构建FBMMC-HVDC仿真模型,验证所提概念的可行性。

基于损耗分析的全桥型MMC参数优化设计

全桥型模块化多电平换流器(MMC)具有直流故障自清除能力,且在发生故障时能够支撑交流侧电压,特别适用于架空线传输的柔性直流输电系统。但是其损耗大的问题十分突出,制约了其在大功率场合的应用。传统设计方法认为在全桥型MMC正常运行时负电平是无效电平,故而提出一种基于模块输出负电平特性的效率优化设计方法。分析子模块输出负电平时全桥型MMC中各电气量满足的约束关系,推导效率最优的直流电压、交流侧电压以及桥臂子模块数的表达式。该方法能在系统额定功率和开关器件型号确定的条件下,准确求解效率最优的MMC系统设计参数。

MMC器件损耗分布与电容电压纹波综合优化方法

逆变工况下,半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)(简称T_(2)管)损耗占比较大,减小其损耗有利于提升设备运行可靠性。同时,抑制电容电压纹波有利于减小电容需求及提高功率密度。然而,现有优化控制策略未关注损耗分布优化及电容电压纹波间的矛盾,难以兼顾设备运行可靠性及功率密度。为此,文中提出兼顾减小T_(2)管损耗及抑制电容电压纹波的综合优化方法。首先,通过分析电荷量对器件损耗及电容电压纹波的影响路径,阐述减小T_(2)管的通态损耗与抑制电容电压纹波间的内在矛盾。接着,通过引入罚函数,建立计及T_(2)管损耗及电容电压纹波的综合目标函数。然后,以主动旁路策略为例,通过分析二倍频环流与三次谐波电压注入对T_(2)管损耗和电容电压纹波的影响规律,提出基于二倍频环流及三次谐波电压注入的综合优化方法。最后,在MATLAB/Simulink及PLECS中搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明:该综合优化方法兼顾了T_(2)管损耗与电容电压纹波优化,一定程度上增加了设备可靠性与设备的功率密度。

全桥型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制保护策略

直流故障穿越是柔性直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission,VSCHVDC)技术面临的重要问题之一。全桥型模块化多电平换流器(full bridge modular multilevel converter,FBMMC)能够快速清除直流侧故障,是实现直流故障穿越的理想拓扑。该文首先分析现有换流阀闭锁保护策略下电容放电阶段和换流阀闭锁阶段的等效电路,推导电容电压和电流的解析式。针对实际工程中功率模块具有恒功率负载特性,换流站闭锁期间功率模块电容电压逐渐发散并最终导致交流断路器跳闸的问题,提出一种FBMMC-HVDC的故障穿越控制保护策略。在故障穿越期间,换流器处于可控状态,能够避免电容电压发散,无需切断交直流系统连接;在故障清除后能够立即恢复正常运行,具备暂时性和永久性直流故障穿越能力。在PSCAD/EMTDC软件中构建了FBMMC-HVDC仿真模型,对比上述两种保护策略,分析两种策略各自的优缺点。

基于不对称全桥型MMC的船舶永磁电机推进系统仿真

为优化中压推进电机调速性能,利用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)作为推进电机变频器。采用不对称全桥型子模块拓扑,并设计相应的不对称全桥型MMC电机变频调速系统应用于船舶电推系统。在Matlab/Simulink环境下,分析船舶在不同工况下的螺旋桨工作特性以及不对称全桥型MMC调速性能。仿真结果表明,不对称全桥型MMC应用于船舶推进电机调速系统具有良好的控制精度及动态响应能力,采用分级运行模式对推进系统进行启动、停车以及倒车过程,可以减缓MMC电容电压波动,提高系统工作性能。

用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲电流发生器

在基于脉冲功率技术的肿瘤治疗方法中,利用双极性脉冲磁场处理的治疗方法具有明显的优势。针对此应用,该文结合模块化全桥型多电平换流器(FB-MMC)拓扑及直线变压器驱动(LTD)拓扑的优势,提出了一种用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲电流发生器。首先,对该文提出的拓扑结构及原理进行介绍,详细分析了发生器在电感负载下的工作过程;然后,对发生器的硬件电路进行了设计与选型;最后,研制了一台4级全固态双极性LTD型脉冲电流发生器样机并对其进行性能测试。测试结果表明,该发生器可在电感负载下输出±800A的脉冲电流,电流的上升时间为600 ns;发生器的最高工作频率为10 kHz,并具备灵活的波形调制功能,能输出三角波、梯形波及阶梯波等多种波形。

半桥型MMC-HVDC子模块故障诊断与定位方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是高压大容量柔直输电系统的核心设备,对其功率模块的故障诊断和快速隔离直接关系到模块内部故障范围,甚至是整个换流阀乃至系统的可靠运行能力。为了准确定位并快速隔离故障功率模块,基于半桥型MMC的子模块故障特性,提出一种半桥型MMC子模块故障诊断与定位方法。针对子模块故障引起的充放电电容数目与阀控系统投入子模块数目的差异,利用桥臂整体电压电流构造故障判据,实现桥臂内子模块器件IGBT开路及直通短路等故障的诊断,并通过各子模块的动态电气量差异定位故障子模块。基于PSCAD/EMTDC搭建了±400 kV的双端MMC-HVDC系统,对所提故障诊断和定位方法进行仿真验证,仿真结果表明,该方法具有快速诊断子模块故障类型和定位故障子模块的能力。

半桥型MMC直流侧故障限流组合控制策略

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流电网在直流短路故障时电流峰值较高且上升速度极快,严重时会造成MMC闭锁从而导致系统大面积停运。为在短时间内限制故障电流对系统的影响,文中提出一种对半桥型MMC适用的故障限流组合控制策略,利用MMC自身的高度可控性,无须外加限流装置,即可达到故障限流效果,并降低对直流断路器的技术需求。首先,文中阐述了限流组合控制策略中2种不同的限流环节及其基本原理。其次,分别分析2种限流环节对直流故障电流、交流电流以及桥臂电流的影响,推导限流组合控制下的直流故障电流计算式。最后,在PSCAD/EMTDC平台搭建半桥型MMC四端直流电网模型进行仿真分析,结果表明所述限流组合控制策略能够有效限制直流故障电流,减小故障点近端换流器的功率和电压波动,降低交流电流和桥臂电流的过流峰值。

面向源-荷-储互动的全阻断型直流配网运行研究

全阻断型直流配电网是构建面向源-荷-储互动电力系统的重要方向。由于没有直流断路器的存在,全阻断型直流配电网的启动、模式切换及故障处理等控制策略均高度依赖于其所连接的源荷储的协调,且与传统直流配电网有所区别。然而,现有研究主要集中于拓扑探索与故障处理技术,而对于全阻断型直流配网的整体运行缺乏直观的分析。鉴于此,以一个四端全阻断型直流配电网为例,提出了面向源-荷-储互动的全阻断型直流配网在启动、稳态及故障三种状态下的控制策略,并分别对源荷储在不同策略中的作用进行了分析。同时,基于Matlab/Simulink模型,对全阻断型直流配电网的整体协调控制进行了仿真,以期带来对全阻断型直流配网的直观认识。

全桥型MMC-HVDC直流侧双极短路故障保护策略研究

随着柔性直流输电技术的快速发展,模块化多电平换流器在直流输电中也得到广泛应用。由于换流器内半桥子模块拓扑结构的缺点,在发生直流侧故障时,不能够产生负电平,所以无法在换流器直流侧输出极间零电压,极度阻碍直流输电的发展前景。研究全桥型模块化多电平换流器的拓扑结构,重点介绍全桥型MMC工作原理和特性,介绍基础的子模块电容电压平衡控制,研究全桥型MMC直流侧双极短路故障情况下的保护策略。最后,通过PSCAD/EMTDC软件仿真验证全桥子模块换流器能够有效阻断直流侧双极短路故障电流,实现故障电流的快速清除,验证保护策略的有效性。

不同子模块MMC在中压直流配电网中的应用研究

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的子模块是其核心部件。结合MMC在中压直流配电网领域的广阔前景,分析了MMC常见的半桥型、全桥型子模块结构。简化半桥型、全桥型、混合型三种子模块结构的MMC在直流侧双极短路故障时的等效电路,从理论上分析了三种子模块结构的MMC对直流侧双极短路故障的抑制能力。针对三种子模块结构MMC,分别通过基于PSCAD/EMTDC的两端MMC系统的仿真,验证了理论分析的正确性。得出在中压直流配电网中,混合型子模块结构MMC在技术上的可行性和经济上的优越性。为未来中压直流配电网中换流器子模块拓扑的选择提供参考。

单相H桥型MMC直接功率控制策略研究

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的研究主要集中在三相系统,很少有文献对单相MMC展开分析研究。文章分析了一种单相H桥型MMC的拓扑结构,建立其数学模型;通过构造和实际交流量成正交关系的虚拟交流量,提出一种基于αβ坐标系的直接功率控制(Direct Power Control,DPC)策略;单相MMC桥臂电流中的二次分量将流入直流侧,为此利用准比例谐振控制器设计环流抑制器;最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,结果验证了所提出控制策略的有效性。

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。

全半桥混合MMC启动特性研究及实验验证

目前,对模块化多电平换流器(MMC)的启动特性研究主要集中在半桥MMC的启动方法的研究与分析,未对全半桥混合型MMC启动过程进行过多分析。从全半桥混合型MMC的基本结构及交流侧不控充电的原理出发,详细分析了换流器启动过程中直流侧的电压及功率模块电压。提出了一种全半桥混合MMC启动方法。在PSCAD/EMTDC中搭建了全半桥混合型MMC充电仿真模型,对全半桥混合型MMC的充电过程进行仿真研究,仿真研究结果在±10 kV混合型换流阀样机实验中得到了验证。

具备故障阻断能力的半桥子模块及其实验验证

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电已经成为当今直流领域的主要应用技术。此处在传统半桥型子模块(HBSM)基础上进行了改进,各个子模块(SM)仅需增加3个二极管即可在故障后切断电流通路,有效防止故障电流激增。该方案经济实用,无需增加IGBT等成本较高的电力电子器件。搭建了201电平±160 kV仿真系统以及4电平±80 V的实验样机进行验证,实验结果证明了此处所提方案可以保证系统正常运行,并能高效阻断故障电流。