基于短时傅里叶变换和深度网络的模块化多电平换流器子模块IGBT开路故障诊断

针对现有模块化多电平换流器(MMC)子模块故障诊断过程中所需传感器较多、测量干扰较大等问题,提出一种基于深度学习的MMC子模块IGBT开路故障诊断方法。在对MMC子模块开路故障特征进行分析的基础上,利用短时傅里叶变换(STFT)提取桥臂电压信号的谐波分量信息作为故障诊断所需的特征参数。将所得到的特征参数进行处理后构建故障诊断样本,在通过深度置信网络实现故障类型快速检测的基础上,依据不同故障类型,构建多个基于卷积神经网络的故障定位网络,进而实现开路故障的检测与定位。通过129电平的MMC系统仿真模型和降功率的MMC实验系统搭建,对该文所提方法进行了验证。仿真和实验结果表明,所提故障诊断方法可以在减少传感器数量的基础上实现子模块开路故障的诊断,提高系统的可靠性。

不对称工况模块化多电平换流器稳定性分析的矩阵降维

模块化多电平换流器(MMC)在对称工况下的建模与稳定性分析已经得到了广泛关注。实际工程中的MMC会处于不对称运行工况,如桥臂电感不对称、交流侧电压不对称等,不对称工况下的导纳建模与稳定性分析需要进一步展开研究。目前,考虑系统多频耦合的导纳模型与定量的导纳降维方法是不对称工况稳定性分析的难点。因此,文中主要建立了适用于不对称工况的MMC导纳模型,并对适用于MMC不对称工况下小扰动稳定性分析的矩阵降维方法展开研究。该降维方法基于导纳矩阵的向量范数,适用于“黑箱”系统及各种不对称工况,可定量评估各阶导纳矩阵的降维误差量。以中国鲁西背靠背异步联网工程广西侧为例,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所建模型的准确性及所提降维方法在多种不对称工况下的适用性。

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器控制方法

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器(MMC with partly integrated BESS,MMCPBESS)可以在接入储能的同时节约建造成本,但其控制更加复杂。针对下桥臂接入储能电池的MMC-PBESS拓扑,建立数学模型及等效电路。在此基础上给出电容电压均衡策略,提出了上/下桥臂分控的控制策略,并分析了其运行边界。在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,仿真了不同交直流功率比例的运行工况,所提控制策略可以在维持电容电压平衡的同时实现对电池充电的功能。该策略无需额外的环流计算,上下桥臂控制解耦,简单灵活。

基于混频电源运行的模块化多电平矩阵式换流器阀段试验系统

模块化多电平矩阵式换流器(M^(3)C)是目前柔性低频输电系统完成频率变换的主要电力电子设备。M^(3)C包含9个桥臂,应用在高压大功率场合的串联模块数目众多,对其设备子模块的生产提出了特殊试验需求。在M^(3)C桥臂稳态电压和电流分析基础上,设计了一种应用于数个串联桥臂子模块(阀段)的对拖运行试验系统,可对其进行等效功率运行测试,以辅助M^(3)C设备的生产和出厂测试。提出了对拖试验系统的控制策略,搭建了由两组4个串联子模块构成的阀段对拖试验系统,进行了相关试验验证。试验结果表明,所提出的试验系统能够满足M^(3)C桥臂串联子模块的等效功率运行试验,并且对电源功率消耗要求不高。

不平衡电网下模块化多电平换流器的直流环流均衡策略

不平衡电网下模块化多电平换流器(MMC)存在三相直流环流不均衡问题,易导致相间电流应力和热应力差异,降低其在不平衡工况下安全运行能力。该文从桥臂功率角度分析不平衡电网下三相MMC直流环流不均衡现象和基于零序电压注入的直流环流均衡机理。提出一种零序电压注入的直流环流均衡方法,通过网侧电流与直流环流偏差量计算得到零序电压相位,经过比例谐振控制器生成零序电压注入量,进而实现直流环流的快速、有效均衡。在所提出的控制策略的基础上,研究该方法对MMC桥臂电流峰值、有效值及子模块电容电压纹波的影响规律。仿真与实验结果验证了该文理论分析与控制策略的有效性。

模块化多电平换流器阀控装置录波功能研究

模块化多电平换流器阀控装置的录波功能对观察子模块运行状态和分析子模块故障暂态过程具有重要作用,阀控装置集成内部录波功能有较大研究意义。针对阀控装置需接入海量子模块的工程应用需求,本文提出一种基于多核处理器和现场可编程门阵列(FPGA)硬件架构的阀控装置内部录波方案,介绍阀控装置录波功能相关的硬件架构、软件架构和测试方法。本文采用模块化分层解耦设计方法,通过底层系统软件、图形化工具软件和上层应用软件共同实现装置录波功能。利用柔性直流仿真控制系统对阀控装置录波功能进行测试,结果表明该功能可以满足工程现场应用需求。

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统高效仿真方法

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统(MMC-SCES)半导体开关器件数量众多,仿真规模庞大,给电磁暂态仿真效率带来了巨大的挑战。针对此问题,基于桥臂戴维南等效电路提出了一种高效的MMC-SCES电磁暂态仿真方法。该仿真运用嵌套快速求解方法对MMC-SCES进行建模,不仅可以大幅降低仿真耗时和保持仿真精度,还可以保留换流器的所有动态变量。搭建了双端MMC-SCES仿真系统,对所提出的高效仿真方法进行了验证。结果表明:相比于基于平均值模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法具有更高的精度,能够拟合子模块内部动态变量;相比基于详细开关模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法的仿真速度最高可提升约518倍,而仿真的绝对误差标幺化积分则控制在1%以内。

基于电流注入法的模块化多电平换流器损耗建模

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的阀体损耗较大,MMC型柔性直流精细化电磁暂态仿真及系统效率研究需要对阀体损耗有更准确的模拟。针对现有柔性直流电磁暂态仿真中的阀体因采用等效模型导致的不存在的虚拟损耗问题,提出了基于电流注入法的柔性直流含阀体损耗电磁暂态建模方法,包括采用有限采样法实现不同运行工况下阀体损耗值的准确自动计算,参考计算结果在建模中采用电流注入法对损耗进行补偿,实现对换流阀损耗的动态跟踪与模拟。最后,通过在PSCAD中搭建柔性直流电磁暂态仿真模型,验证了所提方法的准确性,研究结果可用于精确模拟含阀体损耗的柔性直流电磁暂态建模,且通过仿真可进一步开展降损措施研究。

基于红外测温的模块化多电平换流器故障自动化诊断技术

模块化下多电平换流器各个模块之间持续不间断运行,容易产生过热故障,以人工为主的过热故障检测存在明显弊端。以红外测温为技术支持,提出一种针对该故障的自动化诊断方法。通过对模块化的多电平换流器故障与温度之间的关联进行分析;使用红外热像仪按周期采集温度图像,通过分析图像中的温度异常和变化模式,结合红外测温算法与关联性分析结果,不同类型的过热故障通常会导致热点或温度异常现象的出现,对这些异常现象进行观察和分析,可以准确判断是否存在故障,并进一步确定故障的具体类型。经实例检验,该项技术能够准确诊断出换流器常见故障类型,检出指数与隔离指数高达0.971和0.953,且诊断用时短,仅需77.94 ms,具有优异的诊断准确度和高水平的诊断效率。

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。

模块化多电平换流器的环流分析及抑制方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于子模块电容充放电导致电容电压的不一致,进而导致MMC三相之间存在环流,不仅增加了系统损耗,还影响系统稳定运行。通过建立MMC数学模型,分析不平衡电网下MMC环流形成机理及环流成分,设计了结合二阶广义积分器(SOGI)与准比例谐振(QPR)控制器的环流抑制器,首先通过SOGI提取环流中的二倍频分量,然后与参考值作差后送入QPR控制器,实现对MMC相间环流的抑制,并在MATLAB/Simulink中搭建MMC仿真模型验证了所提方法的可行性和有效性。结果表明:该控制策略能够对桥臂环流实现有效抑制,环流电流峰值下降约41%,子模块电容电压下降约20%,桥臂电流总谐波失真下降93.91%。

适用多功率的最近电平调制下MMC子模块开路故障诊断策略

模块化多电平换流器(MMC)子模块(SM)发生故障时,快速检测到故障并定位故障SM是提升MMC可靠性的关键。现有研究基于经验的阈值设置在不同运行功率间难以推广。针对于此,提出一种适用于不同运行功率的最近电平调制(NLM)策略下MMC子模块开路故障诊断策略。所提策略通过判断SM电容电压预测值与实际值间的绝对误差是否超出阈值来检测并定位故障。通过数学推导给出了设置阈值的可靠依据,并验证了当运行功率发生改变时无需重新手动设置阈值,与现有研究相比降低了阈值设置难度。此外,所提策略整合了现有策略的优点,包括无需额外硬件,计算负担小,诊断速度快(<20ms),适用于多个SM发生故障的情形等。同时,通过理论分析验证了所提策略不仅适用于NLM策略的情形,在调整SM开关函数的预测方法后可推广至其他MMC调制策略。在硬件在环平台中的实验结果验证了该策略可以在不同功率点准确、快速地诊断出两种MMC子模块开路故障。

基于孪生模型的模块化多电平换流器保护

随着柔性直流输电技术的发展,模块化多电平换流器(MMC)由于其拓扑优势越来越受到关注。作为直流输电换流阀的主要元件,子模块与桥臂电抗器故障将对换流站安全稳定运行造成严重影响,现有差动保护均无法有效识别此类故障。文中提出了基于孪生模型的MMC保护原理,结合MMC的控制信息建立数字孪生模型,通过动态状态估计构建保护判据。所提保护方案能够准确检测MMC换流器故障,包括桥臂电抗器匝间短路故障、子模块开路故障及桥臂相间短路故障。根据保护动作类型提出两套保护判据。仿真结果表明,所提保护方案能够可靠地自适应辨识MMC区内故障,具有良好的速动性以及耐受过渡电阻能力。

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。

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。

模块化多电平换流器交直流侧谐波传导特性研究

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)交直流侧谐波会交互影响并产生新的谐波,导致电压、电流波形畸变,甚至引起直流网络谐振及谐波不稳定。MMC谐波耦合过程复杂,为更清晰地揭示MMC交直流侧谐波传导特性,基于平均值模型和调制原理,根据平均开关函数与桥臂电流、电压的关系,推导出由初始谐波电流产生的新谐波电压及谐波电流表达式,完整分析了MMC交直流侧谐波传导特性,揭示了谐波频率和相序变换关系。然后根据MMC谐波传导特性,提出一种先迭代再将同频谐波相叠加的定量计算方法,可以精确计算MMC交直流侧谐波产生的各次新谐波的幅值和相位。最后在PSCAD/EMTDC中仿真验证了谐波传导特性分析及所提谐波定量计算方法的正确性。

基于准Z源模块化多电平换流器的模型预测控制

针对准Z源模块化多电平换流器在使用传统载波叠层调制时,控制结构复杂、直流链电压的波动较大、交流输出电能质量较差及动态响应速度缓慢的问题,提出一种适用于准Z源模块化多电平换流器的模型预测控制策略。根据直流链电压构建输出电压电平的控制集合,预测输出电流,无需每个子模块设置一个脉宽调制发生器;同时,分析了准Z源网络电感电流、电容电压的数学模型,设计了电感电流、电容电压与交流输出电流的代价函数,以此抑制直流链电压的波动、改善输出电压的电能质量。在MATLAB/SIMULINK仿真平台上验证了所提控制方式的有效性和可行性。

基于机器学习的模块化多电平换流器的模型预测控制研究

模型预测控制器(model predictive controller,MPC)因可实现多目标优化控制被广泛应用在模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)领域,但随着子模块数量增加,MPC的在线计算量成几何级数增长。因此,提出了基于机器学习的MMC的模型预测控制方法,首先利用MPC-MMC仿真平台收集数据并对数据进行预处理,再进行神经网络训练得到神经网络-MPC(neural network-MPC,NN-MPC)。为了提高神经网络训练效率,采用随机森林来优化神经网络的初始权值和阈值,得到随机森林-神经网络-MPC(random forest-neural network-MPC,RF-NN-MPC),将其用来模拟MPC。仿真结果表明,RF-NN-MPC在学习效率和学习精度方面都优于NN-MPC,在保持了良好的控制效果的同时,使MPC-MMC不受子模块数量约束,在线计算量始终为1次。

基于随机森林二分类器的模块化多电平换流器子模块开路故障检测方法

随着模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)应用领域的日益扩展,其子模块的开路故障引起了更多关注。为了诊断子模块开路故障,该文提出一种基于机器学习(machinelearning,ML)的故障检测和定位策略。根据开路故障特性,文中选择子模块电容器电压作为故障检测的关键指标,然后引入一种从电压数据中提取时域特征的方法,以构造用于有监督学习分类器的样本。在对随机森林的分类器进行样本训练后,检测策略实时电压数据的特征量判断每个子模块的工作状态。所提出的策略可快速准确地定位故障子模块,而无需添加额外的传感器或构建电路的数学模型。最后,通过三相MMC实验平台验证所提出的开路故障检测策略的有效性。

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。