模块化多电平变换器全桥型子模块优化均压控制方法

模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比,当SM增加时,会导致MMC的开关损耗急剧增加,因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。采用最近电平逼近调制(NLM)方式,提出一种基于全桥型SM的改进均压排序法,旨在降低MMC中功率器件IGBT的开关频率,该方法实现相对简单,无需额外的控制器,且易于扩展。最后,通过在MATLAB/Simulink平台搭建了19个全桥SM的仿真模型,验证了该方法的有效性。验证了所提全桥型SM优化均压策略,可以有效避免IGBT不必要的反复投切,降低IGBT的开关损耗,同时对外部输出特性不会产生负面影响。

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。

并联全桥子模块MMC的自均压运行特性研究

模块化多电平换流器高压直流输电（modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC）面临半桥子模块拓扑不能清除直流故障电流和子模块电容电压排序计算量过大、对传感器实时性要求高等问题。有文献针对低压领域MMC应用中存在的负荷电流过大、电容电压监测困难等问题,提出并联全桥子模块（paralleled full bridge sub-module,P-FBSM）拓扑,对MMC-HVDC具有借鉴意义。该文从P-FBSM结构出发,分析其开关状态集,进而推导以开关函数表示的并联全桥MMC桥臂模型;基于最近电平逼近调制,设计P-FBSM动态分配均压控制策略,实现无需子模块电容电压的自均压控制,有效减小控制器计算量、降低传感器实时性要求。最后,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同时实现子模块电容电压的自均衡和直流故障电流快速清除。

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。

全桥型模块化多电平换流器环流特性分析与自抑制方法

在基于电压源型换流器的柔性高压直流输电(VSC-HVDC)场合,传统的半桥子模块型模块化多电平变流器(MMC)因不具备直流短路故障自清除能力,限制了其在架空线VSC-HVDC领域的应用。全桥子模块型MMC因具备直流短路故障穿越能力,得到了较为广泛的研究。本文首先分析了桥臂参考电压存在负电压的全桥型MMC的基本运行原理,在此基础上,推导了全桥型MMC二倍频环流的解析表达式,并提出了一种环流自抑制的全桥型MMC的参数设计方法。最后,通过仿真和实验验证了本文理论分析的正确性和所提出的设计方法的有效性。

基于改进型单极全桥子模块的新型MMC

提出了一种改进型的单极全桥子模块结构MUFBSM(modified unipolar full bridge sub module),其本质是在单极全桥子模块结构UFBSM(unipolar full bridge sub module)的二极管支路添加一个串联电阻。系统正常工作时,MUFBSM不会增加额外的损耗;当系统检测到直流侧故障并闭锁后,MUFBSM中的串联电阻接入故障电流通路,增强了故障回路的阻尼效果并消耗部分系统储存能量,加快了故障电流清除速度,降低了子模块电容电压上升幅值。然后分析了UFBSM和MUFBSM混合型模块化多电平变换器的故障机理,分析了串联电阻的取值依据。Matlab/Simulink仿真结果验证了MUFBSM的可行性和有效性。

基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器

基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电技术已成为大规模、远距离风电场并网的理想解决方案。在风电渗透率较高时,风电场经MMC-HVDC并网系统呈现低惯量特性,增加储能系统并辅以适当的控制策略是提高系统惯量的方法。文中提出了一种基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器类全桥子模块拓扑,研究了该拓扑的调制和控制策略,并通过类全桥子模块和半桥子模块的混合,降低系统的成本和损耗。与单级式半桥子模块拓扑相比,所提拓扑对电池电压的要求显著降低,可以平滑电池电流;与两级式半桥子模块相比,所提拓扑具有直流故障阻断能力。最后,仿真和实验结果验证了所提拓扑和调制及控制策略的有效性。

MMC中全桥子模块损耗分布优化的调制方法研究

为了提高全桥子模块的运行可靠性,该文研究全桥子模块的损耗分布,并提出一种损耗分布优化的控制方法。首先,根据全桥子模块的输出特性及其器件的损耗特征推导出子模块损耗分布的解析表达式,由此揭示出功率输出对损耗的影响。其次,根据损耗分布表达式,分析全桥子模块冗余开关状态对损耗分布的影响,确定可实现损耗均衡的冗余开关状态投切原则。最后,为了实现上述投切原则,引入轮换及结温反馈两种调制方法对开关状态投切进行控制,并通过仿真验证损耗分布分析的正确性及所提方法的有效性。

一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器

针对构建未来多电压等级多端直流电网的技术需求,提出一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器,并建立了相应数学模型。该拓扑主要由半桥子模块和一种新型的、具有故障电流阻断能力的T型全桥子模块构成,进一步提高了经济性。在此基础上,设计了高压大功率DC/DC变换器的调制策略和电容电压平衡策略,利用T型全桥子模块负电平输出实现直流电压下降时变换器的正常工作,保证多电压等级互联直流系统的降压稳定运行。然后分析了高压大功率DC/DC变换器的直流故障隔离原理。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了含高压大功率DC/DC变换器的直流试验系统仿真模型,通过稳态和暂态仿真分析,结果表明该变换器能够实现降压运行并具有直流故障隔离能力,在未来多电压等级多端直流电网中具有良好的应用前景。

混合型MMC启动策略及全桥子模块数目配置研究

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是柔性直流输电的研究热点。由半桥子模块(Half-bridge Sub-module,HBSM)和全桥子模块(Full-bridge Sub-module,FBSM)组成的混合型MMC非常适用于大容量架空线输电系统。考虑到混合型MMC的拓扑结构特点,首先提出了一种分段式启动控制策略;然后分别对两种最常见的直流故障(单极接地短路和双极短路)的故障机理进行分析,并结合故障机理提出两种子模块的数目配比方案;最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了401电平,±320 k V,1 000 MW的混合型MMC模型,对论文所提出的启动策略和直流故障穿进行仿真分析,结果证明了所提出控制策略的有效性。

用于城轨直流牵引系统的混合型MMC全桥子模块比例设计方法

城市轨道交通直流牵引供电系统是一个低电压大电流系统,受制于开关器件的通流能力,两电平变流器的单台容量难以满足需求。由全桥子模块和半桥子模块组成的混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)可用于调制比大于1的系统中,利用全桥子模块的负电平输出能力,可以提高交流电压或降低直流电压。针对可用于城市轨道交通直流牵引供电系统的混合型MMC,提出一种全桥子模块比例的设计方法,满足高调制比稳态运行的需求和直流故障清除能力的需求,选取了常见的1500 V地铁系统作为算例,选取3组参数,在PSCAD软件中搭建仿真模型,验证了设计方法的正确性。

混合型MMC全桥子模块的配置比例优化设计

由半桥子模块(half-bridge submodule,HBSM)和全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)组成的混合型模块化多电平换流器因具备无闭锁直流故障穿越能力,成为了柔性直流输电领域的研究热点。首先,对混合型MMC的拓扑结构进行分析,并介绍无闭锁故障穿越的机理。为降低FBSM的配置比例,减少换流站投资成本,在桥臂电压调制波中注入三倍频电压的条件下,对直流侧短路故障工况、降压运行工况进行了FBSM配置比例优化设计。计算表明,桥臂调制波中未注入三倍频电压时,FBSM配置比例需达到50%,注入三倍频电压后,FBSM配置比例达到43.3%即可实现系统的稳定运行。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建401电平双端混合型MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和三倍频电压注入优化策略的有效性。

直流故障下全桥型多电平换流器模块电压分析

基于全桥子模块的模块化多电平换流器(FBMMC)在闭锁后可以提供与电流方向相反的反电动势,是保持交流断路器不跳开的情况下实现柔性直流输电系统直流侧故障穿越的理想拓扑。通过对全桥拓扑子模块(FBSM)的工作模式和FBMMC控制方法进行研究,分析了直流故障发生后FBMMC中子模块电容电压的发展情况,分析结果表明,故障后模块电压会先后经历跌落和抬升两个过程,该发展过程对于直流故障检测方法、子模块电容耐受电压、模块过欠电压保护值等的工程设计具有重要意义,也是能否成功实现直流故障穿越的重要因素。最后的计算和仿真结果表明,文中的分析结果是正确的并且具有较高的精度。

基于全桥型MMC的开关序列切换方法及IGBT开路故障诊断策略

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MMC的开关序列(switching sequence,SS)切换方法,通过增加一种子模块(submodule,SM)切除状态,能在不额外增加开关损耗的基础上,使所有类型IGBT开路故障均能够体现故障特性。进一步,分析了所提SS切换方法下的故障特点,并提出了IGBT开路故障诊断策略。所提策略通过判断SS计数是否超出阈值对故障进行检测,并定位故障SM,之后基于SS计数的正负或电容电压变化值进一步辨别故障类型。所提故障诊断策略能够准确检测出IGBT故障,定位出发生IGBT开路故障的SM,并辨别其故障类型,有利于主动运维。此外,所提策略无需额外硬件,并可在一个工频周期(20 ms)内完成对所有故障的准确诊断。最后通过硬件在环平台验证了所提SS切换方法及IGBT开路故障诊断策略的有效性。

采用不同子模块的MMC-HVDC阀损耗通用计算方法

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)提出了一种阀损耗通用计算方法,可统一分析现有子模块结构:半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块。首先基于系统运行参数和调制控制策略解析出各子模块元件的电流、电压时域变化波形,然后利用厂商提供的特性曲线对半导体器件特性参数进行拟合,最后结合器件电流、电压波形和开断次数计算其损耗和结温。所提方法能够计及优化电容电压附加控制,且便于编程实现。基于所提方法开发了MMC-HVDC阀损耗通用分析程序,可快速计算各种工况下的换流器功率损耗分布和器件结温。通过算例计算验证了所提方法的有效性。算例结果表明:3种典型MMC拓扑中H-MMC损耗最少,C-MMC次之,F-MMC最差;环流抑制后个别运行工况下换流器损耗特性可能恶化;降低器件开关频率和提高电压调制比均可降低损耗;当器件开关频率低于某特定值(本算例为500 Hz)后,器件的通态损耗成为主导分量。

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。

一种适用于多端直流系统的模块化多电平潮流控制器

为有效解决现有晶闸管潮流控制器在故障下所存在的严重过电压问题,提出了一种基于全桥模块化多电平换流器的模块化多电平潮流控制器。首先,对多端环网结构进行了系统分析,然后指出并分析了晶闸管潮流控制器的过电压问题。针对模块化多电平潮流控制器,通过子模块状态分析,指出了其故障过电压穿越内在机理,提出了过流保护措施,并设计了相应控制策略用于潮流控制。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了相关模型,针对模块化多电平潮流控制器的电流调节、双向运行以及过电压穿越三方面特性,进行了仿真分析。仿真结果表明:模块化多电平潮流控制器能够较好地调节潮流,且响应时间较短,各种故障情况下都能很好地实现过电压穿越。

新型模块化多电平换流器通用平台的研究

为了提高学生在高压直流输电方面的科研能力,探索模块化多电平换流器的扩展配置,提出把专业知识和应用实践结合起来,设计制作了新型模块化多电平换流器通用平台的方案,采用T型全桥子模块的拓扑重构,串行通信的MMC层次化控制方案,提升了数据传输的容量和速度,具有通用性和可扩展性。整个新型模块化多电平换流器通用平台达到最高直流电压2KV,最大容量100KW,子模块电容4800uF,桥臂电抗器10mH的技术指标。实践证明,自制新型模块化多电平换流器通用平台,实现MMC灵活配置,培养专业人才,是实现科研成果转化为工程应用的重要实践典范。

六角形模块化多电平AC/AC换流器损耗特性分析计算

详细分析换流器的损耗特性对于系统设计、冷却装置选型都有着重要意义。文中基于全桥子模块的工作特性,对六角形模块化多电平AC/AC换流器(Hexverter)的子模块损耗分布及换流器的总损耗进行分析计算。首先,简要介绍和仿真验证了Hexverter的工作原理。然后,通过提取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的数据进行拟合,建立IGBT及其续流二极管的通态特性和开关特性参数,进而对子模块工况进行详细分析,根据全桥子模块的输出特性推导出各器件导通范围及导通时间的解析表达式,从而得到通态损耗和开关损耗的理论计算表达式。最后,通过10 kV系统算例对换流器损耗进行了定量分析,对支路内不同子模块的损耗分布和不同工况下Hexverter的损耗进行计算,结果表明全桥子模块内部的损耗分布呈现对称性外,同一支路内各子模块损耗也不尽相同,特别是在不同容量及功率因数的工况下,子模块损耗分布及换流器总损耗存在明显差异。

稳态负电平输出下的混合型MMC设计方法

混合型模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）桥臂中含有半桥子模块和全桥子模块。利用全桥子模块的负电平输出能力,混合型MMC可具备直流故障处理能力,在稳态下也可实现电压调制比大于1的工况,进而可实现直流降压运行或交流提压运行。该文针对稳态下利用全桥子模块输出负电平的工况提出一种混合型MMC的设计方法。根据电压调制比大于1的需求和直流故障穿越能力的需求,明确混合型MMC桥臂中全桥子模块占比的设计原则。同时,对半桥子模块和全桥子模块电容电压的波动情况进行详细的分析,描述子模块电容电压波动情况,并总结出子模块电容参数的设计方法。最后,通过仿真对所述设计方法的可行性和正确性进行验证。