模块化多电平变流器IGBT开路故障诊断与定位方法综述

随着模块化多电平变流器(modularmultilevel converter,MMC)在工程领域中广泛应用,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)开路故障问题日益突出,并成为制约其稳定运行的主要因素。IGBT开路故障诊断与定位方法作为及时识别开路故障,保证MMC持续稳定运行的主要手段而被广泛研究。文中首先对MMC的基本结构及IGBT开路故障特征进行介绍和分析,阐明故障子模块电流路径及电容电压变化趋势;其次,以定位故障IGBT使用的方法和手段为依据,对国内外相关主要文献进行分类和归纳,总结不同类型故障诊断方法的优点和不足;最后,对MMC开路故障诊断与定位方法的未来发展方向和趋势进行展望,指出基于硬件、基于模型和基于人工智能的3类诊断方案分别在降低硬件复杂度、提高故障诊断准确率和降低计算量等方面应该重点解决的主要问题和思路。

基于多电平变流器模块的直流输电系统控制

为了保证直流输电系统在发生三相短路故障时输电电压的稳定性,有效控制输电系统的运行,该文提出了基于多电平变流器模块(modular multilevel converter,MMC)的直流输电系统运行控制方法。利用反并联二极管与并联电容来设计多电平变流器模块,获得交流等效电感,保证换流站交直流量与有功功率相同,明确换流站内功率情况;将该模块与前馈解耦补偿项相结合,运用PI获得电流内环运行控制器的输入值,实现电流解耦,增强直流电压的稳定控制,提高输电系统抗扰动性能;通过修正与控制环节获得对应参考值,以及最佳运行控制结果。通过实验表明:设计的模块既能保证输电系统在正常工作状态下平稳运行,也能在发生故障时将影响控制在安全范围内,保证电力系统输电稳定。

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modularmultilevelDC/DCconverter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。

混合型模块化多电平变流器电容优化设计

在基于电压源型换流器的柔性高压直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)场合,由半桥和全桥子模块构成的混合型模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流短路故障自清除能力,引起了广泛的研究。而大容量MMC子模块电容的质量、体积大,成本较高,逐渐成为其取得更广泛应用的限制因素。分析并建立了混合型MMC子模块电容电压基频纹波系数与桥臂负电压以及功率因数之间的函数关系。根据该函数,提出一种混合型MMC的参数设计方法使子模块电容最小,在提高MMC功率密度的同时降低了子模块的成本和体积。同时,对比传统的桥臂参考电压始终为正的混合型MMC,在直流电压和桥臂电流有效值相等的情况下,建立了桥臂参考电压存在负电压的混合型MMC的功率传输特性函数,并求出了函数的最优解。最后,通过±160 kV混合型MMC的对比仿真验证了所提设计方法的正确性和有效性。

模块化多电平变流器HVDC输电系统控制策略

建立模块化多电平变流器(modular multilevelconverters,MMC)的电磁暂态数学模型以及采用MMC为变流器的高压直流输电系统(high voltage direct current,HVDC)直流侧电压的动态数学模型。在此基础上,分析HVDC系统的直流侧电压动态特性,给出HVDC控制器参数协调设计原则和算法。最后,基于PSCAD/EMTDC的数字仿真结果证明了所提出的HVDC控制系统参数协调设计原则和算法的正确性。

柔性直流输电系统中模块化多电平变流器的直流侧充电策略分析

本文首先对柔性直流输电系统中的模块化多电平变流器的充电方式进行了分析。当柔性直流输电系统连接无源负载时受端站就需要通过直流侧进行充电。本文通过推导模块化多电平变流器直流侧数学模型得出直流侧充电必然存在过充现象。为了抑制过充电压幅值,本文提出了一种直流侧可控充电策略。并根据模块化多电平变流器本身的限制条件推导出充电系数的取值公式。同时,分析了充电电流的变化过程并根据数学模型计算得到充电电流的最大值,为模块化多电平变流器充电系统的设计提供了理论依据。最后,通过实验验证了本文提出的充电策略的可行性和有效性。

基于改进均压算法的模块化多电平变流器开关频率分析

以一种优化的最大电压偏差均压方法为基础,推导出模块化多电平变流器(MMC)平均开关频率的解析表达式,并分析了影响MMC开关频率的因素,对MMC损耗计算和散热设计具有一定的指导意义。在Matlab/Simulink平台上建立46电平的单相MMC模型,并进行仿真,最后搭建了9电平单相MMC实验样机,实验结果验证了所得结论的正确性。

基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统

对一种新型的模块化多电平变流器(MMC)在轻型直流输电系统(VSC-HVDC)中的应用进行了研究。首先建立了MMC系统的数学模型,提出了适用于MMC系统的快速脉宽调制控制方法、模块电容电压平衡控制策略以及降低器件开关频率的方法。对于系统级控制,提出了基于MMC的VSC-HVDC输电系统非线性控制器,包括有功功率和无功功率解耦控制器,以及直流侧电压控制器。通过PSCAD/EMTDC仿真软件对所提出的模型和控制方法进行了验证,证实了其可行性和有效性。

基于零序电压注入的模块化多电平变流器故障容错控制

随着模块化多电平变流器(MMC)在高压大功率电能变换领域的应用日渐增多,其故障带来的损失将显著增加。为了解决上述问题,文中提出了一种针对三相三线制系统的MMC容错控制策略。利用电容电压冗余排序方法克服普通载波层叠脉宽调制方法所固有的功率不均衡;在详细阐述不同容错控制方案的基础上,提出零序电压注入方法,以保证线电压恒定为基本思路,对超出临界电压区间的调制波进行重构,使MMC具有可靠的故障穿越能力。最后,以一台4.5kVA的三相MMC样机为例进行了实验验证,实验结果验证了所述方案的正确性和可行性。

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。

模块化多电平变流器模块电压纹波抑制策略及应用

降低子模块电容电压波动可以减少模块化多电平变流器系统成本、延长运行寿命。首先利用数值计算方法分析传统环流抑制策略对纹波抑制的原因,再通过模块瞬时功率波动表征子模块波动状态,以功率波动最低的目标计算出特定的环流量控制最优解来抑制模块电容波动。再根据计算出的电流瞬时值表达式,分析不同调制比及功率因数角对抑制纹波效果的影响。最后通过Matlab仿真系统及RT-Lab半实物样机平台在载波移相及最近电平逼近两种调制方式下对纹波抑制策略进行验证,分析了功率因数对抑制效果的影响,比较了传统环流抑制及瞬时电流注入对电容纹波的效果,验证其在特定工况下对两种调制方法的适用性。

模块化多电平变流器均压策略研究

模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,简称MMC)子模块电容电压的均衡是其稳定运行的前提,在此介绍了MMC的拓扑结构,分析了其运行原理,提出了一种基于子模块电容电压瞬时值排序和桥臂电流方向的简化均压策略。该策略上、下桥臂仅各需一个载波,而与子模块数无关。仿真和实验结果验证了所提均压策略的有效性。

不平衡交流电网模块化多电平变流器特性分析及环流抑制方法

高压直流输电系统中的模块化多电平变流器的安全稳定运行是当前的研究热点。当交流侧出现不平衡时,通常需要对环流及直流侧脉动分别进行控制。因此,针对不平衡交流电网的情况,首先利用桥臂瞬时功率方程分析直流侧波动状态;其次,再通过不平衡下的调制函数及子模块端口电压方程,推导出整个桥臂模块电压波动表达式及环流表达式。分析得到正、负、零序2倍频波动分量贯穿桥臂,以此提出一种无需正负序分离和坐标变换的分相控制的环流抑制策略,以同时消除桥臂环流及直流电流的脉动。最终,通过傅里叶分析对不平衡下的系统特性进行了验证,并利用Matlab及实验平台对所提出的控制策略进行了仿真和实验验证。

模块化多电平变流器调速系统变频控制

模块化多电平变流器(MMC)凭借着诸多优势成为高电压大功率工况下的核心拓扑。但MMC变频调速系统运行于低频状态时存在桥臂能量分配不均衡、子模块电容电压波动严重等问题,不仅影响变频器全速域运行能力,甚至威胁系统安全。为解决上述问题,提出一种基于共模电压与偏置电压控制的MMC变频调速系统全速域运行方法,旨在通过控制系统各桥臂瞬时功率以快速抑制子模块电压波动。首先,构建系统数学模型,分析悬浮电容电压波动影响因素;其次,设计变频调速系统的低频控制器与在线模式切换环节;最后,为验证所提控制策略的可行性和有效性,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提控制策略能有效抑制MMC变流器子模块电压波动,完成不同频段平滑切换,降低系统损耗,改善系统输出品质,提升MMC系统安全运行能力。

模块化多电平变流器的直接功率控制仿真研究

新型模块化多电平变流器(modular multilevelconverter,MMC)通常采用双闭环矢量控制策略,针对该方法存在的需调整控制参数较多、动态响应慢等问题,研究MMC的直接功率控制策略及电容电压平衡方法。首先,将现有的桥臂模块电压排序法与参考信号中叠加平均值控制量的方法进行综合,控制电容电压平衡;然后,在桥臂内电容电压相互平衡的基础上,利用双闭环PI调节器控制桥臂间各电容电压保持一致并跟踪给定,使电压波动范围明显减小,提高变流器输出波形质量;最后,将变流器虚拟磁链直接功率控制策略应用于MMC。研究该种拓扑结构下的功率估计方法,并利用Matlab对所设计系统进行仿真验证,结果表明所提控制方法正确、有效。

模块化多电平变流器开环环流抑制策略的渐进稳定性分析

模块化多电平变流器相间环流的存在使得桥臂电流产生畸变,一方面增加了变流器的损耗,另一方面对功率器件的安全工作范围也提出了更高的要求。本文从两个方面分析了开环环流抑制策略的渐进稳定性。首先证明了开环环流抑制策略的基本原理,并在此基础上提出开环环流抑制的一般原理,为模块化多电平变流器开环环流抑制的系统设计提供了理论依据。其次,相比实现起来更为简单的实际值调制环流抑制方法,本文的基于桥臂能量的开环环流抑制策略具有模块电容电压自平衡的特性,无需施加额外的控制;同时,从理论上证明了该开环环流抑制策略具备在不平衡条件下电容电压自平衡的特性,从而证明了该方法的渐近稳定性。最后,通过仿真验证了基于桥臂能量的开环环流抑制方法的稳定性和其模块电容电压自平衡特性的正确性。

参考波为梯形波的模块化多电平变流器模块电容电压均压策略

模块化多电平变流器(MMC)在高压大功率直流领域得到了广泛的认可和应用,同时高频化能够减小设备的重量和体积,对MMC变流器桥臂参考电压为中高频梯形波时的模块电容电压均压策略进行分析。首先分析了梯形参考波的选取和应用场合。其次,针对梯形波提出一种模块电容电压均压策略:在桥臂电压上升和下降阶段采取预先排序的方式,减少了一个基波周期内的开通关断次数,同时降低了控制硬件的要求。另外,针对桥臂之间模块电压不均衡的情况,对桥臂参考电压平顶期进行修正,在上下桥臂之间建立通信,根据上下桥臂模块电容电压平均值的大小决定桥臂参考电压平顶期的实际导通个数。此外,根据梯形波和变换器的特点,分析了抑制谐波的策略。最后在PSIM中对所提出的方法进行建模仿真,结果表明:桥臂之间和桥臂内部的模块电容电压实现了均压,与传统的正弦波的调制方法相比,开关频率大大减小,且回路中3次谐波和5次谐波电流分量几乎为0。

基于模块化多电平变流器的电池储能系统荷电状态均衡控制策略

基于模块化多电平变流器(modular multi-level converter,MMC)的电池储能系统(battery energy storage system,BESS)适用于中高压交直流混合电网,有助于解决可再生能源大规模并网问题。针对电池容量利用率问题,该文分析了MMC-BESS中各端电源功率传递关系,提出了一种电池荷电状态(state of charge,SOC)均衡控制策略,通过三级均衡控制,实现相间、上下桥臂间、桥臂内子模块间电池模块的SOC均衡。同时为提高系统运行的可靠性,研究了故障容错运行工况下的SOC均衡控制策略。最后通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。

模块化多电平变流器稳态运行特性分析

在考虑桥臂电流包含所有次谐波成份的基础上,提出一种新的模块化多电平变流器(MMC)稳态运行特性分析方法。通过研究分析MMC内部各电气变量间的耦合关系,推导得出系统通用矩阵方程,进而得到桥臂电流、子模块电容电压、相间环流等电气变量解析表达式,并总结了各变量稳态运行规律。该方法计算过程相对简单,计算结果更为精确。基于23电平MMC背靠背平台的仿真、实验结果与理论分析结果对比,证明了所提方法的可行性与可靠性。

适合于柔性高压直流输电系统的模块化多电平变流器的自适应均压方法

提出一种模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)的自适应均压方法。在每个控制周期中,根据桥臂电流绝对值的大小选择不同个数的功率模块进行轮换。此外,还推导并计算了采用该自适应均压方法的功率器件平均开关频率的解析表达式。通过160 k V/400 MVA的MMC仿真系统验证了所提出的自适应均压算法的有效性和平均开关频率计算的正确性。最后,在RT-LAB实时仿真实验平台中搭建了350 k V/1000 MW的MMC背靠背系统,对上述方法进行了实验验证。实验结果表明,采用所提出的自适应均压方法能够在保证功率模块电容电压均衡的前提下降低开关频率,提高系统效率。