模块化多电平换流器电容电压均衡排序算法综述

高压大容量模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在世界的柔性直流输电工程得到了广泛的应用,有关MMC的电容电压均衡排序算法已成为研究热点与难点。论文针对适合高电平的MMC电容电压均衡排序算法,对国内外已有的涉及排序算法的主要文献进行整理和归纳,从而探索该领域的研究前沿和关注的重点。将不同的均压排序算法根据降低计算复杂度、降低器件开关频率等优化目的进行了分类,并研究了其核心思想;探讨了MMC电容电压均衡排序算法评价指标;对其中降低复杂度的3种均压排序方法的排序复杂度进行比较,且通过仿真对比了它们的电容电压均衡效果;对其中采用保持因子降低开关频率的排序方法进行了比较。最后,针对MMC实时仿真,讨论了均衡排序算法的发展方向。

模块化多电平换流器阀基主动均压控制策略研究

模块化多电平换流器阀臂中子模块IGBT的平均开关频率和电容电压纹波幅值具有相互耦合的特性,如何在保证纹波幅值不超标的情况下精确定量控制IGBT的平均开关频率具有重要的理论和工程意义。基于此提出一种MMC阀基主动控制策略。首先,基于一种改进的电容均压排序算法和其子模块电容电压纹波幅值与IGBT平均开关频率的数学关系,为基于PI控制器的主动均压策略提供输出阈值的设计准则;其次,设计了一种在线测量IGBT平均开关频率的模块,可以实现开关频率的划窗式动态测量;进而,提出了定量控制IGBT平均开关频率的闭环控制器。最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端401电平MMC-HVDC系统分别针对稳态、潮流翻转以及严重交、直流故障情况验证了所提出的MMC阀基主动均压控制策略鲁棒性和工程适用性。

基于最大电压偏差裕度的MMC子模块均压优化算法研究

根据模块化多电平换流器(MMC)的运行原理,针对传统子模块电容电压排序算法存在器件开关频率高、从而引起开关损耗较大的问题,本文提出一种基于最大电压偏差裕度的均压优化算法。该算法考虑了子模块上一时刻开关投切状态以及各子模块电压之间的差值,可以在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,避免IGBT不必要的反复投切,有效降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗,从而提高系统运行效率。本文通过在Matlab/Simulink平台上搭建21电平的MMC仿真模型进行了仿真,仿真结果验证了均压优化算法的正确性和有效性。

考虑子模块电容电压离散度阈值的MMC改进均压策略

针对目前模块化多电平变换器(MMC)采用基于完全排序的各类均压策略导致各相单元子模块电容电压离散度大且功率开关管频繁投切的问题,提出一种引入投切保持系数的子模块电容电压离散度阈值均压策略。在Matlab/Simulink中搭建了桥臂单元子模块个数为20,相单元交流输出为21电平的三相MMC仿真模型。相同运行环境下,将基于离散度阈值与最大偏差量的均压策略进行对比分析,结果表明,本文所提均压策略在保证MMC系统稳定运行的前提下,可有效减小各子模块电容电压离散度与功率开关管的开关次数,降低系统损耗,提高MMC的电能转换效率。

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。

一种改进的模块化多电平换流器电压平衡方法

基于排序的子模块电容电压均压方法是目前应用于大容量模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型高压直流输电系统的主流均压方式,存在排序运算量大、开关频率高等缺陷,带来较大的硬件投入,降低MMC运行可靠性。针对上述问题,引入时间复杂度更低的基数排序,结合MMC运行特点,去除冗余关键字,降低时间复杂度,在此基础上,根据控制器所需投入子模块数m,优化子模块全排序为寻求m个子模块,去除冗余运算,同时提出重排序判据,使MMC控制器选择性地排序,减少排序频度,增大原有触发脉冲维持时间,降低开关频率。最后,在MATLAB/SIMULINK搭建21电平MMC模型,仿真结果表明,改进基数MMC均压算法能在较好维持电容电压平衡的同时,大幅减少运算量,降低开关频率,验证了改进均压方法的可行性与有效性。

模块化多电平换流器子模块平均开关频率的精确控制方法

在现有的基于电容电压排序的优化均压算法基础上,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)的精确控制子模块开关频率的方法。通过引入双保持因子,避免绝缘栅双极型晶体管(IGBT)不必要的反复投切现象,从而在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,有效地降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗;在此基础上,设计了精确控制子模块开关频率的比例—积分(PI)控制器,能够在降低开关频率的同时精确地控制其大小,保证系统稳定运行和换流器的运行效率;最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端101电平MMC仿真模型,对所提出的方法进行了验证,仿真结果表明该方法可以在保证系统稳定运行的前提下,精确地控制子模块的开关频率,证明了所提出方法的正确性和有效性。

MMC-HVDC子模块高频脉冲产生机理分析及保护策略研究

MMC-HVDC工程中子模块数众多,工程中普遍采用最近电平逼近(nearest level modulation,NLM)调制算法,结合桥臂电流方向和子模块电压的大小进行均压排序。基于现有调制均压策略在工程实施过程中不可避免的会产生子模块高开关频率甚至超高开关频率现象。首先分析了工程中高频现象及产生机理,以及高频对换流阀子模块驱动器、功率器件损耗、结温和二极管反向恢复特性影响;然后结合功率器件高频耐受能力及保护的可靠性提出两段式反时限子模块高频保护策略;建立了保护定值整定方法及依据。仿真验证了策略的有效性并开展了保护策略功能测试。该策略具有良好的实时性与可靠性,对系统正常运行无影响,可应用于在运MMC-HVDC工程可靠性提升。

基于滞环控制的MMC环流抑制方法

模块化多电平变换器(MMC)内部的环流会影响MMC的稳定运行同时增加了损耗。为了抑制环流,首先分析了桥臂电感压降与环流之间的关系,通过控制桥臂电感压降能够改变环流的变化方向,据此提出了基于滞环控制的MMC环流抑制法。该方法能够独立控制各相环流,且不需要额外的硬件,只需根据环流越限方向增加或减少子模块切入数量来改变环流变化方向,从而将环流限制在允许范围内,起到抑制环流的作用。在Simulink中搭建了三相MMC仿真模型,对本文提出的环流抑制方法进行验证,结果表明该方法能够有效抑制MMC内部环流。

一种模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略

电气拓扑采用模块化多电平技术的高压大容量DC/DC变换器是构建直流电网的关键装备之一。与柔性直流输电系统中的工频运行工况不同,基于模块化多电平的DC/DC变换器可运行于中/高频。若仍采用工频工况下的最近电平逼近调制策略及电容排序均压,会带来子模块开关损耗大及数字控制系统运算负担重等一系列问题。为此,提出了一种适用于模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略,阐述了基频调制的基本需求及其实现方法,提出了与基频调制相应的电压及电压增量双排序均压策略,并分析了基频调制策略对子模块电容参数设计的影响。通过仿真和实验对提出的基频调制策略和双排序均压算法进行了验证,结果证明该调制策略能有效降低功率器件开关损耗,改善交流输出电压波形的总谐波失真,缓解数字控制系统的运算负担,并与控制策略具有良好的兼容性。

模块化多电平换流器戴维南等效整体建模方法

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在电平数很高时电磁暂态离线仿真效率低下的问题,提出一种基于戴维南等效的MMC电磁暂态整体建模方法。具体而言,在建立MMC戴维南等效模型的过程中:1)假设MMC中全部开关器件都具备理想的关断特性(也即关断电阻无穷大);2)采用同样绝对稳定的后退欧拉法来替代通常采用的梯形积分法对子模块电容进行离散化;3)结合1)和2),提出一种计算复杂度与MMC桥臂子模块数相同的高效排序均压算法;4)针对所提出模型的特点,提出一种精确的MMC闭锁仿真方法。所提MMC整体模型的计算复杂度随着电平数的增加线性增长。在PSCAD/EMTDC下与MMC详细模型仿真对比表明,所提MMC整体模型的暂稳态最大精度误差在2‰以内,并且在仿真121电平MMC时所提模型的加速比在2 770倍以上。