桥臂复用型MMC的预充电控制策略

桥臂复用型模块化多电平换流器(AM-MMC)可以有效减少换流器的体积和重量,其预充电控制策略研究亟待开展。为此,提出了分别适用于交流和直流场景的AM-MMC的预充电控制策略。在交流预充电场景下,通过分析桥臂间子模块电容电压的关系,并考虑子模块电容过压以及桥臂间子模块电容电压不均衡问题,提出一种包含不控充电阶段、可控充电阶段和阻断阶段的三阶段交流预充电控制策略,并提供了限流电阻的计算方法。在直流预充电场景下,推导冲击电流产生的原因,提出了一种基于直流电流的冲击电流抑制策略。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提预充电控制策略可有效实现AM-MMC的平稳启动。

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。

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。

半桥–全桥子模块混合型桥臂复用MMC的拓扑及故障穿越策略研究

为了实现模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)的轻型化并使其具备直流短路电流阻断能力,文中针对桥臂复用型MMC(armmultiplexingMMC,AM-MMC)独特的桥臂结构,提出两种由半桥子模块(half bridgesubmodule,HBSM)和全桥子模块(fullbridge submodule,FBSM)构成的混合型AM-MMC(hybrid AM-MMC,HAM-MMC):FHF型和HFH型HAM-MMC。以直流双极短路故障为例,文中对两种HAM-MMC的故障特性进行研究,推导故障电流表达式,分析FBSM装配比例,并提出相应的故障穿越策略。与HBSM和FBSM按1:1比例构成的常规混合型MMC相比,所提两种HAM-MMC均具备器件成本优势,且HFH型HAM-MMC可将FBSM的装配量降低50%。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,FHF型和HFH型HAM-MMC均可顺利完成交直电压变换与能量传输,且在直流短路故障发生后能够快速清除故障电流并阻断交流侧馈流。在推进换流站轻型化的同时,所提HAM-MMC可有效降低为实现直流故障穿越而带来的附加投资。

桥臂复用型MMC拓扑启动及降容策略研究

目前柔直工程上大多采用半桥型模块化多电平换流器(half-bridge modular multi-level converter,HB-MMC),过高的电压等级和传输的功率极大地增加了MMC的体积和占地面积。基于此,文中提出一种桥臂复用型MMC拓扑(bridge arm reusing MMC,BAR-MMC),具有在不增加桥臂子模块个数的基础上实现过调制的能力,并设计可使BAR-MMC拓扑平滑启动的启动策略。从损耗角度出发,提出一种二倍频电流幅值的确定方法,并通过多目标寻优确定最优相角,可大幅度降低BAR-MMC子模块电容电压容值。基于PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建仿真程序验证所提BAR-MMC及降容策略的有效性和工程实用性,仿真结果表明:基于BAR-MMC拓扑的谐波注入策略可降低子模块电容电压容值40%,并进行了损耗及经济性分析。

一种桥臂复用型功率变换器的优化设计研究

针对一种移相全桥与LLC相结合的桥臂复用型功率变换器,研究了优化其软开关效果的设计方法。所提出的方法可以让变换器工作在固定开关频率,并利用开关管复用实现主开关管的全范围零电压开通(ZVS)。此外,该方法通过LLC与移相全桥相结合的方式,在高效率输出与宽范围增益调节等需求之间取得了较好的折中。在详细分析了桥臂复用型功率变换器改善移相全桥滞后桥臂软开关状态的工作原理的基础上,通过一台24~48 V输入、24 V/5 A(120 W)输出的实验样机,对理论分析的正确性进行了验证。

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。

环形MMC桥臂电流应力分析

六边形模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)和九边形模块化多电平变换器是两种新兴的具有环形拓扑结构的直接AC-AC变换器,因其器件数量上的优势,可作为级联型矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)的替代拓扑,在海上风电分频输电等领域具有广阔的发展前景。然而,两种拓扑均为桥臂复用型结构,这导致其单个桥臂应力过大,相对于M3C在器件数量上的优势不明显,同时这也降低了控制自由度,导致其无法通过传统方法进行应力优化。为进一步增强其器件数量上的优势,将六边形模块化多电平变换器和九边形模块化多电平变换器统一于环形MMC,建立了环形MMC桥臂电流的数学模型,探究系统参数对桥臂电流应力的影响。得出结论:环形MMC端口间相角差是影响桥臂电流应力的关键参数;环形MMC桥臂综合电流周期分量应力与端口间相角差呈周期性关系,通过调整九边形MMC同频端口间相角差的大小可达到降低桥臂综合电流周期分量应力的目的,经理论分析最大可减小29.25%。最后,在RT-LAB仿真实验平台搭建仿真模型验证了结论的正确性。

四桥臂变换器驱动开绕组永磁同步电机系统的死区效应分析与抑制

针对传统双逆变器驱动开绕组永磁同步电机系统的成本和复杂性高的问题,提出一种具有少开关特性的低成本四桥臂变换器驱动开绕组永磁电机的新型拓扑结构,在四桥臂变换器输出有效电压矢量和SVPWM策略分析的基础上,分析了系统中复用桥臂产生的非对称死区电压分布规律及其对相绕组电流畸变的影响,基于零序回路独立控制的方法设计了具有平均死区电压补偿的谐波电流抑制策略,将死区补偿后的开绕组永磁电机绕组电流总谐波含量抑制至5%左右,使得低成本的四桥臂变换器具有类似传统双逆变器驱动开绕组电机系统的输出特性,最后通过仿真和实验验证了所提死区分析和抑制策略的有效性。