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。

一种低频储能型MMC子模块电容电压均衡控制策略

针对低频工况下传统MMC子模块电容电压幅值大幅波动的问题,提出一种基于超级电容和双向DC/DC变换器的新型储能MMC低频子模块电容电压均衡控制策略,采用基于子模块整体能量排序算法的双向DC/DC变换器控制超容储能系统,以维持MMC低频工况下子模块的电容电压稳定。通过MATLAB/Simulink对新型储能MMC低频子模块电容电压均衡控制策略进行仿真研究,仿真结果表明,所提控制策略能够有效抑制低频工况下子模块电容电压的波动。

模块化多电平换流阀子模块用真空旁路开关设计

模块化多电平换流阀(MMC)子模块的可靠性直接影响到柔性直流输电系统的整体稳定性,旁路开关是决定子模块关断性能的关键设备之一。文中基于永磁机构的工作原理和理论建立一种双线圈旁路开关模型,利用仿真分析电容储能电压、电容值、线圈线径和匝数以及弹簧参数对开关动态特性的影响规律,并对其动态特性进行优化设计。最后根据仿真结果制作样机并进行试验验证,测试结果表明:旁路开关满足在3 ms内合闸,零弹跳的技术要求,且通过雷电冲击试验、工频耐压试验、方波电压试验3项绝缘试验。

子模块故障下基于变执行频率的MMC功率损耗优化控制

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因其高度模块化和低谐波失真而逐渐成为最适合大功率应用的拓扑之一。当子模块(submodule,SM)发生故障时,故障桥臂中SM电容电压和开关频率将升高,这会导致MMC故障桥臂的功率损耗不平衡,从而影响MMC的寿命。文中提出一种基于变执行频率的功率损耗优化控制(variable execution frequency-based power losses optimization control,VEF-PLOC),该控制通过调整电容电压平衡控制的执行频率来调节功率器件的开关损耗,从而优化故障桥臂中功率器件的损耗。提出的VEF-PLOC能够优化SM故障下故障桥臂功率损耗,从而有效地提高MMC的寿命。最后,在时域专业工具PSCAD/EMTDC上进行仿真,并在小型MMC样机上进行实验,仿真和实验结果皆验证了提出的VEF-PLOC的有效性。

具备直流短路故障阻断能力的子模块桥臂复用型模块化多电平固态变压器

模块化多电平换流器的固态变压器(modular multilevel converter based solid state transformer,MMC-SST)由于具备多电压等级、多电压形态的端口,在交直流混合配电网中得到广泛关注。传统的输入串联输出并联(inputseriesoutput parallel,ISOP)型MMC-SST具有较高的功率密度,但是在中压直流(medium voltage DC,MVDC)端口短路故障情况下无法持续向低压侧供电;双向有源全桥变换器(dualactive bridge,DAB)型MMC-SST则存在功率密度低、成本高等问题,并且传统的半桥结构的DAB型MMC-SST在MVDC端口短路故障情况下同样无法持续向低压侧供电。文章提出了一种子模块桥臂复用(arm integrated submodule,AISM)型MMC-SST拓扑,在不改变MMC-SST端口电气特性的情况下,在有效减少开关器件数量的同时,还使得SST具备中压直流端口短路故障下的不间断运行能力,进而提升SST的功率密度和供电可靠性。针对文中提出的AISM型MMCSST拓扑,该文还提出了一种针对输入级MMC的混频调制方法,基于共模、差模解耦原理,实现输入级MMC桥臂电压的高频分量和低频分量的解耦。通过理论分析与仿真模拟,验证了所提拓扑及控制方法的可行性。

基于改进子模块的MMC-HVDC直流侧故障隔离研究

架空线路场合下的高压直流输电系统(HVDC)故障率较高。当前,混合式直流断路器存在容量小、成本高等问题,使得具备故障自清除能力的子模块成为解决系统直流侧故障的最佳解决方案,但上述方案使用了更多电力电子器件,带来了损耗增大,投资成本增加等问题。为此提出一种新型混合方式的模块化多电平换流器(MMC)子模块拓扑结构,在不影响自清除故障能力的前提下减少了所需电力电子器件,提高其经济性和直流侧故障隔离性能。首先给出了将新型子模块与传统半桥子模块在桥臂中合理搭配的设计方案;其次,探究了改进型拓扑结构极对极短路故障穿越机理及子模块构建的经济性性优化方法。最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了双端MMC-HVDC模型,对提出的子模块性能及其混合型MMC性能进行仿真验证。结果表明,提出的改进子模块及相应的混合型MMC可快速阻断故障电流,具备良好直流故障隔离能力,且具有更好的经济性,在实际工程中上具有良好的应用前景。

抑制双馈风场MMC-HVDC系统次同步振荡子模块电容电压控制器仿真研究

针对双馈风电场并入模块化多电平换流器的高压直流输电系统,为解决模块化多电平换流器内部子模块结构相互作用时产生次同步振荡,影响系统稳定运行的问题,提出一种考虑子模块电容电压与抑制循环电流结合的控制结构。通过建立一种更精确的模块化多电平换流器直流阻抗模型,减小子模块的二阶循环电流,并利用奈奎斯特判据分析了不同控制器调节下系统稳定性以及电压和电流的变化。结果表明,所建立的新模型与实际模块化多电平换流器内部结构的匹配性更好,能够正确地预测直流系统的稳定性,验证了环流抑制器结合子模块电容电压控制后的有效性。

STATCOM单个子模块旁路失败跳闸原因分析及改进方法

STATCOM(静态无功补偿装置)属于近几年在电力系统中推广的一种新型无功补偿装置。它的优点非常明显,既可以发容性无功也可以发感性无功,同时它的无功调节范围大,精度高、响应快。但STATCOM的缺点也非常明显,因为技术新,缺乏运维经验,运行时总是存在各种各样的问题,需要在运维过程中去发现,去改进。本文就STATCOM在运行过程发生的因单个子模块旁路失败导致跳闸的原因进行分析,同时提出改进方法。

柔性直流工程子模块检修工具创新设计与效率提升研究

柔性直流工程子模块检修工具是一种用于柔性直流传输系统的设备,用于提高子模块检修的效率和安全性。文章通过分析柔性直流工程子模块检修的现有问题和需求,设计了一种创新的检修工具,并对其性能进行了评估。研究发现,该工具能显著提升柔性直流工程子模块检修的效率和可靠性,可以推动柔性直流工程的发展。

模块化多电平换流器子模块故障分析与诊断方法综述

随着模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的广泛应用,其内部存在的问题也日益突出并成为制约系统稳定运行的主要因素。MMC子模块拓扑结构分为半H桥型、全H桥型和双箝位型3种,其中最典型的是半H桥型子模块,其内部由2个IGBT以及与其反并联的二极管和1个电容组成。在运行平稳的电路中,若子模块内部二极管、IGBT、储能电容任一发生故障,都可能会引起系统内部电路结构的变化,致使系统无法稳定运行,甚至直接崩溃。因此,对子模块内部故障的研究很有意义。针对IGBT、二极管和电容在子模块中的故障情况以及故障诊断与定位的方法进行了详细的介绍与分析。

适用于大规模风、光直流送出系统的子模块IGBT开路故障诊断策略

在大规模风、光直流集中送出系统中,采用模块化多电平换流器(MMC)实现高压直流输电(HVDC)成为新的发展趋势。但在系统运行过程中,子模块发生故障的概率较高,对故障进行快速、准确的诊断及定位是维持系统稳定运行的关键。针对子模块内部开路故障,在分析子模块内部故障特性的基础上,以直流侧电压测量值与计算值的差值判断故障是否发生以及发生类型,以输出相电流为观测量搭建滑膜观测器,根据输出相电流的测量值与计算值的差值和变化率判断故障所处的桥臂,根据故障类型选取对应开关状态的子模块,利用子模块电容电流理论值与实际值的比值进行定位;最后在PSCAD/EMTDC搭建双端21电平MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的策略能够快速实现子模块故障的诊断并进行快速可靠的就地保护。

一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具备直流故障自清除能力和电容电压均衡能力,提出了一种新型并联双端口子模块:钳位双全桥子模块(clamp double full bridge submodule,CD-FBSM)。该子模块器件成本和运行损耗较低,正常工作时相邻子模块之间具有多种协同运行模式,通过特有的并联模式可提高电容电压均衡度。故障闭锁时,模块内部电容并联、模块之间电容串联且反向接入电路,能够可靠阻断故障电流并均衡电容电压,有利于系统快速重启。此外,提出了三阶段故障电流阻断机理分析方法,对CD-FBSM的故障电流阻断过程进行了研究。通过Matlab/Simulink的仿真结果表明,所提子模块电容电压均衡度较高,可快速阻断故障电流,且故障电流阻断过程与理论分析一致。

基于子模块电容电压允许值的MMC均压控制策略

针对模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)传统子模块(sub-module,SM)均压策略存在的开关频率高、开关损耗量多、计算量大等问题,提出基于子模块电容电压允许值的均压控制策略。通过引入电容电压允许值变量,使得SM电压始终在规定的范围内运行,降低了功率器件损耗。与此同时,由于不需要每个控制周期对全部SM进行排序,进一步减少了控制策略的计算量。通过仿真结果验证了所提策略的有效性,可以显著减少单位时间内功率器件的开关次数。

基于拉依达准则的MMC子模块开路故障定位

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)凭借模块化结构等优点,被广泛应用于高压大功率输电领域。MMC含有大量子模块(submodule,SM),SM的开关器件故障是影响MMC可靠性的关键问题之一。其中SM开路故障不易及时检测,威胁系统正常运行,为此提出一种基于拉依达准则的SM开路故障定位方法。首先,对SM开路故障进行故障特性分析,根据SM开路故障会引起SM电容电压的异常变化,应用拉依达准则进行判别。其次,计算同桥臂内SM电容电压的均值和3倍标准偏差来构造一个置信区间,通过判断SM电容电压是否超出置信区间且持续一定时间来检测并定位发生开路故障的SM。该方法不需要额外传感器,不用建立精确数学模型,不用手动设置经验阈值,算法较为简单。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三相MMC系统仿真,并在实验室搭建单相MMC实验平台对该方法进行验证。仿真和实验结果表明,基于拉依达准则的SM开路故障定位方法能够快速有效地定位出发生开路故障的SM。

模块化多电平换流器子模块检测技术研究

目前模块化多电平换流器已经成为全球柔性直流输电工程建设的首选,并在直流配电技术领域得到了进一步的广泛应用。文中针对模块化多电平换流器在应用过程中需要面临的子模块检测工作量大、效果差、功能覆盖不全等问题,对其检测技术进行了研究。首先结合相关技术标准和实际生产需求分析了检测现状,然后基于目前两种主流检测方法的技术原理和特点提出了一种全新的模块化多电平换流器子模块检测方法,最后通过仿真验证了该方法的合理性和可行性,能够实现多个子模块的一次性自动检测,覆盖了子模块中除晶闸管外的所有功率组件,大幅提高了检测工作的效率和效果。

基于MMC子模块两级主动控制的直流短路限流方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)直流侧故障后短路电路急剧上升,严重影响直流电网安全。为限制故障电流,提出一种基于子模块两级主动控制的直流短路限流控制方法(submoduletwo-stage active control,STAC),通过两段故障检测判据和预设最大短路电流,构造关于直流电流的分段函数K,其输出决定减投子模比例,故障后降低直流电压抑制短路电流,同时设计适应于不同运行条件换流站MMC的控制参数,并且仅通过控制动作限流不产生额外成本。STAC不影响系统正常运行,限流过程维持功率传输。最后在四端直流电网中对STAC限流效果及其性能进行仿真分析。结果表明,所提限流方法能有效抑制故障电流,流经直流断路器故障电流降低49.7%,桥臂电流峰值降低23.15%,故障后100 ms恢复直流电压。

STATCOM谐波环流与子模块电压失衡分析与平抑方法

配电网并联STATCOM机间谐波交互作用可能导致其系统运行失稳,文中从链内子模块载波的相对位置出发,分析非特征次谐波产生的根本原因,通过归纳电容吞吐有功功率变化规律,研究了谐波环流与子模块电容电压失衡之间的交互影响机理,构建了子模块电容电压均衡优化控制方法,最后搭建电平STATCOM双机仿真模型进行验证,仿真结果证明了理论分析和控制方法的正确性。

基于最近电平逼近调制的MMC冗余子模块冷热混合备用容错策略

为提高模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)运行可靠性,MMC桥臂通常配备了冗余子模块。基于有冗余MMC,改进了冷热混合备用容错策略。分析对比了采用不同容错策略时的MMC容错控制复杂度与运行功率损耗。为完善混合备用容错策略,基于最近电平逼近调制(Nearest-level modulation,NLM)原理提出了一种MMC冷备用子模块的充电控制策略,减小了冷备用子模块充电过程对MMC输出性能的影响。此外,提出了冗余子模块冷热备用子模块数量的分配方法。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了21电平的三相MMC模型,仿真结果表明,改进的混合备用容错策略能够有效减缓容错过渡过程的波动,验证了该容错控制策略的有效性和可行性。

适用于少子模块混合型MMC直流故障穿越的均压调制策略

针对混合型模块化多电平换流器(HMMC)在中低压场景子模块个数受限以及直流故障穿越期间的电容电压平衡问题,提出适用于少子模块HMMC直流故障穿越的调制技术以及直流故障穿越期间的电容电压平衡控制方法。从虚拟半桥子模块角度对全桥子模块拓扑进行解耦,统一HMMC的内部拓扑。基于虚拟调制改进载波移相脉宽调制方法,提出适用于HMMC多工况运行模式切换的混合调制技术。进一步考虑直流故障穿越期间的子模块电容电压平衡需求,基于优化子模块充、放电能量分布的思想,重构脉冲映射关系,提出分层脉冲自适应平衡控制方法。仿真结果表明,所提策略实现了少子模块HMMC直流故障穿越,并有效保障了直流故障穿越过程中子模块的动态电容电压平衡。

基于新型子模块的MMC实验系统设计

提出一种新型子模块拓扑,该子模块不仅具备直流故障电流阻断能力,同时还具备内部电容之间的自均压能力。对于同等电平输出的不同子模块拓扑,该子模块仅需一半的电容电压测量装置,不仅降低了应用成本,还减轻了控制器排序算法压力。实验结果表明,该子模块能够快速清除直流侧故障电流,同时在正常及故障工况下,该子模块内部电容电压都能保持较好的均衡。