模块化多电平矩阵换流器的等值阻抗模型解析分析

模块化多电平矩阵换流器(M3C)的阻抗建模是柔性低频输电系统稳定性分析和故障特性分析的关键理论基础。介绍了M3C的拓扑结构、数学模型与控制策略。在此基础上,分析了计及M3C拓扑结构特点、dq坐标变换过程和双dq分解控制的扰动电流-桥臂电压-扰动电压传递响应特性,推导了M3C等值阻抗特性与频率的关系,建立了可用固定电阻与随频率变化电抗串联表示的M3C等值阻抗数学模型。在PSCAD/EMTDC仿真平台上利用扫频法对等值阻抗理论分析的准确性进行验证,并讨论了系统控制参数、运行功率、一次参数等不同因素对M3C阻抗频率特性的影响。

桥臂复用模块化多电平变流器单极接地故障无闭锁穿越及能量均衡

考虑到模块化多电平换流器(MMC)的轻型化和发生概率最高的单极接地故障穿越要求,桥臂复用模块化多电平换流器(AM-MMC)在单极接地故障下的无闭锁穿越及能量均衡问题亟待解决。该文在AM-MMC拓扑结构及工作原理的基础上分析了AM-MMC的单极接地故障特性,推导了故障电流数学表达式。通过在上、下臂配置全桥子模块,混合AM-MMC(HAM-MMC)可具备无闭锁单极接地故障穿越能力,并减少25%的电容数量,在轻型化及经济成本方面具有一定的竞争力。由于AM-MMC复杂的复用模式及单极接地故障导致的上、下臂不对称,该文重点分析了其穿越过程中的能量不均衡机理,提出了通过基频及二倍频直接环流控制均衡桥臂能量的交替复用无闭锁单极接地故障穿越策略。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,HAM-MMC可无闭锁穿越单极接地故障,且所提控制策略较常规MMC均衡能量效果更好。

基于短时傅里叶变换和深度网络的模块化多电平换流器子模块IGBT开路故障诊断

针对现有模块化多电平换流器(MMC)子模块故障诊断过程中所需传感器较多、测量干扰较大等问题,提出一种基于深度学习的MMC子模块IGBT开路故障诊断方法。在对MMC子模块开路故障特征进行分析的基础上,利用短时傅里叶变换(STFT)提取桥臂电压信号的谐波分量信息作为故障诊断所需的特征参数。将所得到的特征参数进行处理后构建故障诊断样本,在通过深度置信网络实现故障类型快速检测的基础上,依据不同故障类型,构建多个基于卷积神经网络的故障定位网络,进而实现开路故障的检测与定位。通过129电平的MMC系统仿真模型和降功率的MMC实验系统搭建,对该文所提方法进行了验证。仿真和实验结果表明,所提故障诊断方法可以在减少传感器数量的基础上实现子模块开路故障的诊断,提高系统的可靠性。

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器控制方法

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器(MMC with partly integrated BESS,MMCPBESS)可以在接入储能的同时节约建造成本,但其控制更加复杂。针对下桥臂接入储能电池的MMC-PBESS拓扑,建立数学模型及等效电路。在此基础上给出电容电压均衡策略,提出了上/下桥臂分控的控制策略,并分析了其运行边界。在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,仿真了不同交直流功率比例的运行工况,所提控制策略可以在维持电容电压平衡的同时实现对电池充电的功能。该策略无需额外的环流计算,上下桥臂控制解耦,简单灵活。

基于半桥子模块构成的模块化多电平变换器研究

模块化多电平变换器(Modular multilevel converter,MMC)适用于中高压应用场合,具备损耗小、传输效率高、开关频率低、开关损耗低、输出谐波少等优点。研究以半桥子模块构成的MMC的工作原理以及其调制策略,并以MATLAB/simlink仿真软件为平台搭建仿真模型,仿真结果表明,最近电平逼近调制策略能够实现MMC输出谐波含量低的电压。

模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析

基于模块化多电平矩阵换流器(M3C)的柔性低频输电系统在中远海风电外送、异步电网互联等方面优势突出。然而,有别于模块化多电平换流器(MMC)等其他电力电子换流设备,M3C的控制策略将导致系统故障特性发生显著变化。现有将电力电子设备负序部分等效为开路的故障等值与响应特性计算方法无法适用。文中计及M3C正序定电容电压总平均值控制、负序电流注入控制以及环流控制分层构成的桥臂电容电压均衡策略,推导了工频侧线路故障以后,M3C输入输出功率均衡、桥臂功率均衡(电容电压均衡的必要条件)与正负序电压电流间的映射关系,由此构建了工频侧线路故障(不对称、对称)后的M3C输出电压电流响应特性的等效模型。在此基础上,提出了M3C接入下工频侧线路故障后电压电流响应特性的精确计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建了海上风电柔性低频送出系统仿真模型,通过大量仿真算例充分验证了所提故障特性分析方法的正确性和精确性。

不对称工况模块化多电平换流器稳定性分析的矩阵降维

模块化多电平换流器(MMC)在对称工况下的建模与稳定性分析已经得到了广泛关注。实际工程中的MMC会处于不对称运行工况,如桥臂电感不对称、交流侧电压不对称等,不对称工况下的导纳建模与稳定性分析需要进一步展开研究。目前,考虑系统多频耦合的导纳模型与定量的导纳降维方法是不对称工况稳定性分析的难点。因此,文中主要建立了适用于不对称工况的MMC导纳模型,并对适用于MMC不对称工况下小扰动稳定性分析的矩阵降维方法展开研究。该降维方法基于导纳矩阵的向量范数,适用于“黑箱”系统及各种不对称工况,可定量评估各阶导纳矩阵的降维误差量。以中国鲁西背靠背异步联网工程广西侧为例,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所建模型的准确性及所提降维方法在多种不对称工况下的适用性。

不平衡电网下模块化多电平换流器的直流环流均衡策略

不平衡电网下模块化多电平换流器(MMC)存在三相直流环流不均衡问题,易导致相间电流应力和热应力差异,降低其在不平衡工况下安全运行能力。该文从桥臂功率角度分析不平衡电网下三相MMC直流环流不均衡现象和基于零序电压注入的直流环流均衡机理。提出一种零序电压注入的直流环流均衡方法,通过网侧电流与直流环流偏差量计算得到零序电压相位,经过比例谐振控制器生成零序电压注入量,进而实现直流环流的快速、有效均衡。在所提出的控制策略的基础上,研究该方法对MMC桥臂电流峰值、有效值及子模块电容电压纹波的影响规律。仿真与实验结果验证了该文理论分析与控制策略的有效性。

基于混频电源运行的模块化多电平矩阵式换流器阀段试验系统

模块化多电平矩阵式换流器(M^(3)C)是目前柔性低频输电系统完成频率变换的主要电力电子设备。M^(3)C包含9个桥臂,应用在高压大功率场合的串联模块数目众多,对其设备子模块的生产提出了特殊试验需求。在M^(3)C桥臂稳态电压和电流分析基础上,设计了一种应用于数个串联桥臂子模块(阀段)的对拖运行试验系统,可对其进行等效功率运行测试,以辅助M^(3)C设备的生产和出厂测试。提出了对拖试验系统的控制策略,搭建了由两组4个串联子模块构成的阀段对拖试验系统,进行了相关试验验证。试验结果表明,所提出的试验系统能够满足M^(3)C桥臂串联子模块的等效功率运行试验,并且对电源功率消耗要求不高。

模块化多电平换流器不对称桥臂的环流稳态分析

在模块化多电平换流器(MMC)上下桥臂的电阻、电感不对称情况下,其桥臂环流的主要成分不再仅包括直流量和2次分量,因此有必要对此时的MMC桥臂环流进行定量研究。通过悬浮电容电压的变化规律,从时域角度构建描述环流特征的二阶微分方程。在稳态情况下忽略微分方程的通解,通过近似处理方法求得微分方程的特解,该特解可以有效地描述环流的稳态特性,即此时环流的主要成分为直流分量、1次分量和2次分量,还给出了此时环流的稳态表达式。通过MATLAB/Simulink平台搭建了仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和有效性。

基于模块化多电平换流器的新型全桥损耗优化调制策略

提出了一种新型全桥损耗优化调制策略,可以平衡子模块中各个半导体开关器件的热应力,提高器件安全裕度,从而提升模块化多电平换流器(MMC)的功率传输能力。首先,对构成MMC的子模块结构进行了分析,从抑制直流侧故障角度出发,选择了全桥子模块作为分析的对象。其次,针对MMC型高压直流输电(MMC-HVDC)系统的各种工况进行了损耗和结温分析,找出了限制MMC功率传输的主要因素。最后,在综合分析的基础上,针对MMC-HVDC系统提出了全桥损耗优化调制策略,该方法可以提升直流传输功率。仿真分析验证了所提出的全桥损耗优化调制策略的有效性。

模块化多电平换流器半实物仿真平台设计与实验验证

电平数较多的模块化多电平换流器(MMC)系统含大量高频开断的开关器件,其多模块的拓扑结构和复杂的协调控制导致基于纯物理装置的仿真实验建模面临诸多困难。针对这一问题,设计了一种MMC控制器并开发出样机,建立了基于实时数字仿真器(RTDS)和物理控制装置的半实物混合仿真实验平台。其中,一次系统采用2.5μs小步长,能实现上百电平MMC系统的高精度仿真。控制器采用了多核技术,将并行的阀控部分分配在不同核之间,满足了实时控制的要求。通过多个稳态和暂态实验对平台实验能力和控制器的合理性进行验证,结果表明,此平台可灵活实现不同调制和控制策略,各项控制目标响应迅速且跟踪准确。所建立实验平台可以用于主电路设计论证、控制策略研究测试、控制器参数优化、柔性直流系统同大电网的交互研究等领域。

基于桥臂电流直接控制的模块化多电平换流器控制策略

提出一种基于桥臂电流直接控制的模块化多电平换流器控制策略,以实现对交流侧电流、直流侧电流以及内部环流的控制。通过理论分析,得到上、下桥臂传输功率与桥臂电流的关系;设计了上、下桥臂独立控制的内外环控制系统,分别对换流器三相桥臂电流进行dq变换,得到上、下桥臂各相电流的指令值;附加桥臂电流环流抑制器,以实现换流器有功、无功控制量闭环控制。在31电平柔性直流输电实验平台上对所提的控制策略进行验证,结果表明其具有精度较高、高效抑制换流器桥臂环流等优点。

基于桥臂能量预测的模块化多电平换流器子模块故障优化容错控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(MMC)常见的一种故障类型,将故障子模块旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为使MMC系统在子模块旁路后依然能维持稳定运行,提出一种基于桥臂能量预测的MMC子模块故障容错控制策略。首先对各时刻桥臂子模块储存的能量进行动态预测,进而求得各时刻子模块电容电压的预测值,在不用附加环流抑制控制器情况下,实现对环流中不对称基频和二倍频谐波分量的有效抑制。该策略简化了系统控制的复杂度,既适用于桥臂子模块数不对称的运行状态也适用于正常运行状态。厦门柔性直流示范工程的电磁暂态仿真结果验证了所提出的容错优化控制策略的正确性。

模块化多电平换流器分桥臂电流控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电流控制系统大多基于d-q旋转坐标系,并将MMC上、下桥臂当成整体进行控制。为此,提出了MMC分桥臂电流控制策略。推导MMC单桥臂的开关周期平均值模型及小信号模型,并在此基础上设计桥臂电流闭环控制系统。该策略不仅能灵活控制MMC的交流输出电流和直流电流,而且能抑制上、下桥臂间的交流环流。算例结果证明了该策略的有效性。

桥臂复用型模块化多电平换流器的拓扑及控制研究

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的轻型化需求,提出一种具备子模块高利用率的桥臂复用型模块化多电平换流器(arm multiplexing MMC,AM-MMC)。通过将相单元划分为上桥臂、复用桥臂和下桥臂,并利用桥臂切换开关对桥臂进行复用,AM-MMC可有效提高子模块利用率、降低子模块装配数量。为了避免桥臂切换开关的动态均压问题,设计确保AM-MMC在上、下桥臂复用模式之间平稳切换的模式切换策略。此外,根据AM-MMC拓扑特点,设计最近电平逼近调制和分段脉宽调制策略,以满足其在高压直流输电和中低压直流配用电领域的调制需求。基于Matlab/Simulink的仿真结果和物理实验结果表明,AM-MMC能够顺利完成交直电压变换与能量传输,且运行效果良好。与常规MMC相比,所提AM-MMC的子模块利用率提升至66.7%,子模块装配数量降低25%,有效实现了轻型化目标。

基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器桥臂电容电压平衡控制策略

建立了基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑的统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的详细数学模型,讨论了串联式接入系统和并联式接入系统对MMC内部特性的影响,结果显示串联式接入更易出现上下桥臂电容电压不平衡现象;探讨了低频环流的本质,揭示了单相系统功率与环流的关系,得到通过控制桥臂电容电压可抑制低频环流的结论。以理想工况下桥臂电容电压为控制目标,设计了基于基频和负序二倍频旋转坐标系的电压平衡控制器,该控制器可同时适用于并联侧和串联侧。RTDS仿真结果证明在最近电平逼近调制下所提控制策略可有效控制桥臂电压平衡,并能抑制负序二倍频环流。

基于多点采样的模块化多电平换流器子模块电容和等效串联电阻监测方法

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)近年来得到了广泛的发展与应用。电容器是MMC中子模块(sub-module,SM)的重要组成部分与关键元件,承担直流支撑与储能工作。为保证MMC系统的安全可靠运行,有必要对子模块电容器状态监测方法展开研究。基于MMC系统运行特性,提出一种在工频周期内对子模块电压进行多相位点采样,并结合系统控制侧开关信号、调制比与交流侧电流电压幅值、相位等信息构建电压电流状态方程,以求解电容值与等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)值等状态特征参量的子模块电容器状态监测方法。随后搭建单相七电平MMC系统仿真平台与半实物仿真平台,对上述方法的可行性与准确性进行验证。仿真结果表明子模块电容器C值监测误差绝对值小于0.03%,ESR值监测误差绝对值小于0.5%。实验结果表明C值监测误差绝对值小于1.5%,ESR值监测误差小于10%,满足子模块电容器状态监测要求。

高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是制约高压大容量换流器可靠运行的关键因素之一。为此,文中提出一种混合型MMC器件损耗分布优化方法。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性。其次,分析电容电压对器件损耗的影响规律,明确降低半桥子模块电容电压可减少其下部IGBT的损耗。然后,在不影响换流器外输出特性的前提下,提出计及三次谐波电压注入及桥臂输出电压指令值差异化分配的控制策略,通过最大程度降低半桥子模块电容电压,减少其下部IGBT损耗。最后,开展MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验,仿真及实验结果验证了所提方法可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,有利于提高换流器的整体可靠性。

模块化多电平换流器桥臂电流直接控制方案

通过分析模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构,提出一种MMC桥臂电流直接控制方案,该方案对MMC上/下桥臂电流实施独立控制。建立了MMC系统小信号传递函数模型,对桥臂电流反馈控制策略进行了分析与设计。以MMC并网逆变器为例,结合多层次电容电压平衡控制策略,得到了基于桥臂电流内环控制的MMC综合控制方案,以实现网侧电流控制及电容电压平衡控制。仿真结果表明,所提出的MMC桥臂电流直接控制方案具有优良的动静态特性,并能有效抑制三相内部环流,验证了该方案的可行性和有效性。