模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电架构研究

随着大容量中压直流配电技术的迅速发展,模块化多电平直流变换器受到工业界和学术界的广泛关注。然而,实现高可靠的辅助供电是实现直流变换器在中压直流配电场景中应用的关键技术瓶颈之一。为此,提出一种面向模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电系统架构。该架构实现主控制器、子模块等辅电系统的中压直联馈电,从而无需额外低压直流电源,并且大幅提升系统启动速度。基于此架构设计,模块化多电平直流变换器的子模块控制器和旁路开关辅助供电均实现3倍冗余,提高系统容错运行的能力。在子模块电容预充电阶段,提出一种基于辅助电源自主控制的子模块电容均压方法,保证模块化多电平直流变换器可靠预充电。最终通过实验验证所提辅助供电系统架构的可行性。

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。

一种拓展模块化多电平变换器的光伏系统稳定运行范围的谐波补偿调制策略

由于阴影遮挡、损坏等问题,基于模块化多电平变换器的光伏系统中存在光伏(PV)输出功率不平衡的现象,会使高输出功率PV对应的子模块过调制。谐波补偿调制策略是解决该问题的一种常见方案,通过向高功率PV的子模块中注入谐波而避免子模块过调制,低功率PV的子模块(称为正常子模块)则需要补偿数量相同、相位相反的谐波,使桥臂内的谐波相抵消而不会造成桥臂电压和电流畸变。然而,在PV功率严重不平衡时,为了避免高功率PV的子模块过调制,现有谐波补偿调制策略需要注入的谐波过大,会超过正常子模块的补偿范围,使正常子模块出现过调制,导致桥臂电压和电流畸变,影响系统的稳定运行。该文提出一种新型谐波补偿调制策略,在高功率PV的子模块不发生过调制的前提下避免正常子模块过调制,保证系统的稳定运行。同时,该文对不同谐波补偿调制策略稳定运行范围进行了定性和定量评估,表明所提谐波补偿调制策略能在更多PV功率不平衡工况下稳定运行。通过仿真与实验验证谐波补偿调制策略在模块化多电平变换器光伏系统中的可行性与理论分析的正确性。

模块化多电平变换器改进两段式模型预测控制

基于有限控制集的模型预测控制应用于模块化多电平变换器(MMC)时通常会暴露出计算复杂与交流侧输出电流严重失真等问题。提出一种双矢量优化谐波电流模型预测控制策略,即改进两段式模型预测控制,可减少开关状态组合计算量,进一步优化交流侧输出电流。推导了MMC离散数学模型,并构建无权重因子的代价函数,通过计算实际电流与参考电流包围的最小面积重新定义同一周期内两阶段开关信号的占空比,并引入一种附加冗余子模块的方法抑制桥臂环流,接着提出一种败者树多路归并排序算法均衡电容电压。在MATLAB/Simulink平台搭建三相23电平MMC仿真模型验证该策略的有效性。相比于两段式模型预测控制,所提策略的交流侧输出电流跟踪更加精准,谐波畸变率更小。

模块化高压大容量DC/DC变换器综述

随着新能源发电占比增加和电网规模的不断扩大,直流输电系统的容量不断提升,含有不同电压等级的直流电网是未来发展的必然趋势。在此背景下,DC/DC变换器作为直流电网关键设备,在多电压等级互联场景中发挥着重要作用。文中首先对已有的模块化高压大容量DC/DC变换器进行归纳、分类和比较,然后阐述了目前模块化高压大容量DC/DC变换器的拓扑结构、工作原理与特点,并针对其特点提出了不同变换器的适用场景,最后对未来的研究方向提出了建议。

适用于海上风电分频输电的模块化多电平矩阵变换器故障穿越控制策略

作为海上风电分频输电(fractional frequency transmission system,FFTS)的重要装置,模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)的故障穿越是海上风电并网安全稳定运行的重要问题之一。为研究M3C故障穿越控制,首先基于M3C双dq坐标系下的数学模型和稳态控制策略,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模拟电网发生三相对称故障的情况,分析M3C的暂态特性,并提出故障穿越策略。通过改变M3C低频侧交流电压指令,迫使风电场根据自身低电压穿越策略减少输出功率,从而降低M3C传输的有功功率;M3C工频侧采取有功平衡优先、剩余最大无功输出的控制策略以支撑网侧跌落电压;且根据系统对有功无功功率的需求分为有功无功兼顾、有功优先、无功优先3种场景的控制方案。仿真结果表明,所提策略可以根据不同的控制需求提升M3C故障穿越的能力,保证M3C各子模块电容平均电压不超过阈值,无需额外卸荷电路和通信即可实现电网故障期间的安全穿越,同时有利于维持风机持续并网运行和电网电压的恢复。

面向低频海上风电送出的模块化多电平矩阵变换器综合解耦控制策略

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)用于海上风电低频输电系统(low frequency transmission system,LFTS)是具有广阔应用前景的新方案。M3C双频功率耦合对其9个桥臂直流侧电容电压的均衡控制及故障穿越带来挑战和困难。为此,提出基于桥臂双重低频环流注入法的新型M3C综合解耦控制策略。首先,对M3C工、低频侧进行数学建模并分析其功率运行范围。基于桥臂工、低频共模和差模回路的分析及桥臂功率平衡原则,提出实现工、低频侧输入及双重低频环流注入的M3C解耦控制策略。使用开环和闭环低频环流注入两种联合控制,在实现M3C各子变流器相间功率快速均衡的同时,确保工频侧输入电流的完全正序特性。通过带延时补偿的复矢量控制器,在静止坐标系统实现9个桥臂的完全独立控制,搭建35kV/11MW海上风电系统PSCAD模型,通过稳态、动态及暂态仿真全面验证所提综合控制策略的有效性和正确性。

电网不平衡工况下模块化多电平矩阵变换器控制策略

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)是一种可直接实现交交功率变换的新型高压大功率拓扑,在低频输电、大功率异步电机调速及低频海上风电送出等领域具有应用前景。由于2种频率的功率耦合作用,M3C桥臂电容电压在电网电压不对称时容易失稳。为此,文中首先对不平衡输入工况下M3C桥臂功率进行了计算,推导并总结了2种不同功率平衡方法下桥臂间的功率分配规律。在此基础上,研究低频环流对桥臂功率的影响,在保证系统总有功功率平衡的前提下,提出基于低频环流的M3C桥臂电容电压平衡控制策略,避免了网侧负序电流的引入;在不平衡工况下,通过桥臂电容电压闭环控制和功率直接补偿实现电容电压的快速平衡。所构造的低频环流仅在换流器内部流动,不影响M3C输入输出侧的解耦运行。最后在MATLAB中搭建了220 kV/400 MW M3C系统模型,验证了所提控制策略的有效性。

模块化多电平变换器分数阶PIλ环流抑制策略

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)内部环流增加系统功率损耗,加剧桥臂电流畸变。针对传统PI环流控制器存在鲁棒性较差、控制精度有限等问题,将分数阶PI^(λ)控制器应用于MMC环流抑制。首先,对MMC工作特性进行分析,阐述环流产生机理。其次,研究分数阶PI^(λ)控制结构,并设计MMC分数阶PI^(λ)环流抑制策略。然后,采用经典频域法优化分数阶PI^(λ)控制器参数,并对分别采用传统PI和分数阶PI^(λ)控制器的系统环流控制性能进行对比分析。最后,在相同条件下,通过对采用上述两种环流抑制策略的MMC系统,分别在电源扰动、直流侧电压阶跃和三相不平衡工况下进行仿真研究。结果表明,分数阶PI^(λ)环流抑制器的抗电源扰动性和环流抑制能力均优于传统PI环流抑制器,更适用于MMC此类的非线性系统的控制。

适用于多端口模块化多电平交直流变换器的分段变步长模型预测控制策略

传统模型预测控制存在计算量大及权重因子整定困难等问题,并且对于多端口模块化多电平交直流混合变换器(multi-port modular multilevel AC/DC hybrid converter, MP-M2ADHC)适用性不足。首先利用桥臂内电势等效原理分析了MP-M2ADHC的交直流耦合特性及内部功率平衡约束,并提出了分段变步长模型预测控制(piecewise variable step-size model predictive control, PVS-MPC)策略。通过多个寻优环节,在不同时间尺度下寻求最佳开关状态使得系统预测值与期望值的误差最小,实现了对多个控制目标单独控制。为满足预测模型精确离散化需求,进一步提出采用改进欧拉法对系统反馈值进行优化与校正,从而显著提高预测精度。最后,通过对变换器不同模式下功率双向传输的时域仿真,从输出电流跟踪、环流抑制及谐波含量等方面与传统模型预测控制进行对比,验证了所提控制策略与优化校正策略的可行性和有效性。

基于MMC的隔离型直流变换器参数优化设计

以面向中压直流互联系统的基于MMC的双向隔离型DC/DC变换器为研究对象,以准两电平调制策略为基础分析了其稳态功率特性,详细推导了各模块电容电压和电感电流瞬时表达式,进而提出子模块电容和桥臂电感的优化设计方法,在满足预定电容电压和电感电流纹波约束的前提下,显著降低电容和电感值,从而降低系统成本和体积。实验验证了所提变换器参数设计方法的正确性和可行性。

三角形模块化多电平DC/DC变换器研究

DC/DC变换器是双母线直流微网中的接口变流器,在能量转换中起重要作用。因传统DC/DC变换器具有器件应力高,电压增益低等缺点,导致其不适用于中高功率场合。模块化多电平DC/DC变换器通过模块串并联方式降低器件应力,提高电压增益,适用于中高功率场合。本文以三角形模块化多电平DC/DC变换器作为研究对象,对电路拓扑结构与工作原理进行分析,该电路所有模块可实现均压均流,电路功率均分至各个模块。针对电路中变量相互耦合的关系,研究设计解耦控制策略,实现两级间的变量解耦;针对非交错调制方式下电压纹波大的特点,提出不同级间交错调制方式,在所提方式下电路拥有良好的动静态性能,并且可以有效降低输出电压纹波。通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型,仿真结果验证了解耦控制策略及调制方式的可行性及有效性,提高了电路动态特性及输出直流电能质量。

新型串联混合型模块化多电平变换器及其控制策略研究

近年来,模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)因具有模块化的结构特点,在柔性直流输电领域受到广泛关注。随着电压等级的提升,传统MMC拓扑的子模块数成倍增加,装置成本及体积大幅提高。为实现MMC的轻型化设计目标,提出一种串联混合型MMC(series hybridMMC,SHMMC)拓扑,对其工作原理进行介绍,并推导其数学模型。同时,针对相单元内部所存在的释能过电流问题展开讨论,设计适用于SHMMC拓扑的控制策略。MATLAB/Simulink仿真及样机实验研究结果表明该拓扑正确可行,且具有较好的输出特性及内部特性。在直流侧电压相同的情况下,所提SHMMC拓扑相较于传统MMC拓扑子模块数更少,在保障良好输出特性的前提下损耗更低,且无需设置桥臂电抗器,有利于降低装置体积,有效实现了轻型化设计目标。

基于模块化多电平矩阵变换器的低频输电系统柔性启停策略

基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的低频输电系统(LFTS)因其无需建设海上换流站,在中远海上风电送出方案中具有巨大的应用潜力,但目前尚未有文献对LFTS的启停控制深入研究。为了实现低频线路开关在无电压及无电流状态下分合控制的目的,采用了一种柔性启停策略,包括一种无同期的启动策略和一种无电压电流分开关的停运策略。以双端LFTS为分析对象,通过对M3C的灵活控制和启停逻辑的合理设计,无需新增控制装置及检同期的控制策略,可解决LFTS启停时易出现的过压及过流问题。仿真实验结果和结论表明了所提控制策略的正确性,各换流站之间实现完全柔性启停,具有良好的LFTS工程应用前景。

基于PLC的模块化多电平变换器变频运行控制

常规变换器变频运行控制方法缺乏对变换器各模块之间功率差的定量分析,导致变换器变频运行控制开关频率较高,为此提出基于PLC的模块化多电平变换器变频运行控制研究。根据电压调制原理,将三角载波分为两个模块,用于调整变换器的电压,结合低频工况子模块调整后的电压,计算多电平变换器变频运行误差;根据运行误差定量分析变换器各模块之间的功率差以及PLC技术,构建模块化多电平变换器变频运行控制模型,从而控制变换器变频运行。实验结果表明,所设计模块化多电平变换器变频运行控制方法下的开关频率低至251 Hz,该方法能够优化开关频率的波动。

模块化多电平变换器的电容电压卡尔曼滤波预测方法

为避免子模块电压互感器发生故障对直流配电网模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)安全可靠运行造成威胁,需为MMC配置备用测量装置。工程上通常为所有子模块配置备用电压互感器以保证高可靠测量,但使得硬件结构较为复杂。为此,文中提出一种适用于中高压MMC测量系统备用模式的电容电压卡尔曼滤波预测方法,并融合快速模型预测控制(fast model predictive control,FMPC)策略提升电能变换稳定性。首先,为各桥臂仅配置一个电流互感器,无需任何电压互感器,并构建卡尔曼滤波观测器,提出卡尔曼滤波预测方法;进而根据电容电压预测值建立FMPC目标优化函数,确定桥臂最优电平数和子模块投切情况,在保证MMC输出电流和环流跟踪性能及电容电压预测准确性的前提下,显著简化测量系统硬件结构。最后,搭建21电平仿真模型和三电平实验平台,通过多个算例和工况验证所提方法的可行性和实用性。

基于准Z源网络的高增益模块化多电平谐振直流升压变换器

针对目前模块化多电平直流变换器(modular multilevel DC-DC converter,MMDC)在工程应用中轻型化、高增益等需求,该文提出一种适用于中小功率新能源接入场合和柔性直流输电系统的单向非隔离型高增益谐振MMDC拓扑及其调制与控制策略。其子模块电容和桥臂电感发生串联谐振,工作在谐振状态。所提变换器特点在于:1)由准Z源网络、上桥臂和下桥臂三部分组成,正常运行时,上、下桥臂投入子模块数恒定,以保证高压直流侧输出电压的稳定;2)结合提出的子模块交替投切调制策略,可实现子模块电容电压自均衡;3)变换器下桥臂大功率子模块可实现软开关运行,具有较小的开关损耗及电磁干扰。详细分析所提变换器的拓扑结构、工作模态、功率流动、控制和参数设计,仿真和实验结果验证所提变换器拓扑和控制算法的有效性。

基于改进NLM的模块化多电平变换器在船舶岸电系统中的应用

随着船舶功率需求的不断增加,船舶岸电系统也从低压岸电系统向高压岸电系统发展,基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)设计6.6 kV/60 Hz的船舶高压岸电系统。针对传统最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略下MMC输出电压质量低、环流谐波含量大及船舶岸电系统稳定性差的问题,提出采用改进NLM策略、无差拍环流抑制策略和虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制技术相结合的新型控制方法。对所设计的MMC-VSG船舶岸电系统模型和控制方法进行仿真。仿真结果表明,所提出的控制方法能有效提高船舶岸电系统的电能质量,且系统稳态性能和动态性能良好,可为船舶高压岸电系统的设计提供一定的参考。

基于双dq坐标变换的模块化多电平矩阵变换器无源控制策略

模块化多电平矩阵变换器(M3C)采用双αβ坐标变换时控制结构复杂,被控变量仍为交流量,且非线性的M3C采用线性的比例积分微分(PID)控制时效果不理想。提出采用控制系统结构更简单的双dq坐标变换,将M3C控制系统中的被控量都转换为直流量,并采用非线性的无源控制(PBC)方法。基于PBC理论分析了M3C对象的无源性和稳定性,设计并推导了M3C的PBC策略。在MATLAB/Simulink上搭建了基于双dq坐标变换的M3CPBC仿真系统,模拟3种运行工况下的系统运行情况。仿真结果表明,相比于PID控制,所提PBC方法控制参数更少、响应速度更快、谐波含量更低,总体控制效果更好。

新型全固态模块化多电平特种高压电源优化设计

模块化多电平换流器(MMC)已成为新型全固态特种高压电源的有效解决方案,对其进行轻量化设计以节约设备空间成本成为当前研究热点。MMC中限制功率密度提升的首要因素为子模块大尺寸电容,为降低MMC对子模块容值的需求,提高系统功率密度,提出一种改进型MMC(I-MMC)拓扑。应用隔离型开关电容变换器,实现上下桥臂一对子模块高频链互联。研究中相单元内上、下桥臂子模块对并联的高频链两侧采用同步控制,使子模块电容之间呈现开关电容特性,实现波动功率在电容之间的自由传递,进而消除相位相反的基频与3倍频波动分量。结合MMC运行调制比和功率因数分析基频与3倍频波动分量消除后子模块电容取值,完成模块化设计。所提方案可将子模块电容减小至常规MMC的1/4。仿真与实验结果验证了所提拓扑方案的正确性与有效性。