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MMC-BESS的子模块电池功率极限值分析

模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,MMC)是电池储能系统(batteryenergystoragesystems,BESS)功率变换的最佳选择之一。在基于模块化多电平变换器的电池储能系统(MMC-BESS)运行时,会出现子模块之间的有功功率分布不平衡情况,为评估系统稳定安全运行的合理性,需要对子模块功率极限值进行分析。因此,该文首先对MMC-BESS建模,分析其桥臂环流的功率传输特性,再提出相应控制策略,包括外部交流及电池功率控制和内部电容电压平衡及环流控制,可以实现相间和桥臂间功率不平衡时的稳定运行,而对于桥臂内功率不平衡,根据安秒平衡原理,从过调制角度对子模块电池功率极限值进行详细分析,得出功率极限值的计算方法。最后,通过仿真以及实验验证功率极限值分析及计算的正确性。

考虑子模块均压约束的混合型模块化多电平换流器功率极限分析

混合型模块化多电平换流器具备降压运行和不闭锁穿越直流故障的能力,子模块均压约束是其降压运行时对稳态功率运行范围起主要限制的运行约束。从满足子模块均压约束的换流器桥臂电流和桥臂电压的特性出发,分析了混合型模块化多电平换流器在降压运行时的功率极限运行范围。提出了快速确定混合型模块化多电平换流器可行功率运行域的计算方法。通过对比解析扫描计算的结果和电磁暂态仿真共同验证了计算方法的准确性和有效性。分析了全桥子模块比例对功率运行极限范围的影响。从功率运行能力的角度提出了全桥子模块最小比例的设计方法。

半桥型柔性直流换流器功率模块典型故障分析

对目前柔性直流工程上常用的半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)的基本拓扑结构和运行工况进行了阐述,并对工程现场绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)上常见的直通短路故障、单管击穿故障、“瞬时性”直通短路故障、通信类故障等几类典型功率模块的故障特征、停电检查方法以及失效原因进行了分析,针对各类典型故障提出运维建议,以提高柔性直流工程的运行可靠性。

基于模块化多电平矿用中高压变频器仿真研究

针对井下中高压大功率应用设备在工作过程中耗能大的问题,为减少能源消耗及改善设备性能,本文提出将基于模块化多电平换流器(MMC)结构的高压变频器应用到井下变频系统中,该变频系统能够有效改善高压大功率设备的工作效率与耗能问题。主要介绍了模块化多电平换流器的拓扑结构、工作原理、调制技术及子模块电容电压平衡等,并在Matlab-Simulink软件中搭建井下高压变频系统仿真并进行验证。仿真结果表明,系统具有良好的动态性能,能够实现井下变频系统和感应电机正常工作,波形输出基本稳定,对解决井下中高压大功率运行设备节能具有重要意义。

电网电压不平衡时模块化多电平换流器直接功率补偿控制策略

为了进一步提升电网电压不平衡时模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)的电能传输质量,在αβ坐标系下提出一种无需交流电流正负序分离的MMC直接功率补偿策略,并对电网电压不平衡时MMC交流侧功率和瞬时功率进行了理论分析;针对MMC的零序环流将进入直流侧引起直流电压/电流2倍频波动的问题,基于比例谐振控制器设计了环流抑制控制器;最后在PSCAD中建立仿真模型验证所提出的控制策略和理论分析。仿真结果表明:在电网电压不平衡工况下,在消除负序电流和抑制有功功率波动2种控制目标下,MMC直流电压均可能出现2倍频波动,所设计的直接功率补偿控制系统可以分别有效地抑制网测负序电流或交流侧有功功率的2倍频波动,环流抑制控制器可以有效抑制直流侧2次波动。

无锁相环模块化多电平换流器直接功率控制器设计

在采用传统双闭环控制策略的模块化多电平换流器(MMC)中,电感参数变化可能对设备造成不良影响。为此,利用αβ坐标系中电压和功率之间的数学模型,设计了一种无锁相环的直接功率控制(DPC)策略。该DPC中,通过一种无需使用系统角频率和电感参数的功率解耦控制器,将传统的双闭环简化为αβ坐标系中的单个功率环,避免系统频率偏移和电感参数变化对控制系统的不良影响。同时,该DPC还能实现有功功率和无功功率的独立解耦控制。仿真结果表明,与传统控制策略相比,所提DPC具有更小的功率波动、较好的谐波抑制能力以及较快的系统动态响应,适用于与强电网联接的换流站。

模块化多电平换流器功率平坦控制策略

首先,建立了ab坐标系下模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)交流电压与功率之间的数学模型,结合微分平坦理论提出一种可适用电网正常和故障2种工况下的MMC直接功率平坦控制策略。控制器分为前馈控制和误差补偿2部分:前馈控制根据期望输出及输入控制变量与输出量之间的数学关系,规划系统控制变量的运行轨迹;误差补偿环节消除系统不确定因素和外部干扰引起的实际输出与期望输出间的误差。为获取电网电压不平衡功率参考值,提出一种无需电流正负序分离的功率补偿方法。仿真结果表明,所提出的控制策略在电网电压平衡和故障2种工况下运行良好,且不受电感参数变化和电网频率偏移的影响。

集成化的模块化多电平换流器功率模块设计与研制

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于模块化的设计使其能够方便的应用于各种高电压场合,并且能够在较低开关频率下输出正弦度很高的电压波形。本文以1000V/90k VA MMC型换流器的功率子模块研制为研究核心,围绕该换流器中子模块一次电路主要元件参数选择、控制系统设计开展相关研究工作,研制了由4个子模块构成的集成化功率模块;通过子模块控制系统功能验证、功率模块的功率脉冲和带载实验,证明本文所研制的功率模块达到设计预期,能够正常、可靠、稳定工作。

一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器

针对构建未来多电压等级多端直流电网的技术需求,提出一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器,并建立了相应数学模型。该拓扑主要由半桥子模块和一种新型的、具有故障电流阻断能力的T型全桥子模块构成,进一步提高了经济性。在此基础上,设计了高压大功率DC/DC变换器的调制策略和电容电压平衡策略,利用T型全桥子模块负电平输出实现直流电压下降时变换器的正常工作,保证多电压等级互联直流系统的降压稳定运行。然后分析了高压大功率DC/DC变换器的直流故障隔离原理。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了含高压大功率DC/DC变换器的直流试验系统仿真模型,通过稳态和暂态仿真分析,结果表明该变换器能够实现降压运行并具有直流故障隔离能力,在未来多电压等级多端直流电网中具有良好的应用前景。

基于RTDS的模块化多电平换流器功率模块级故障及保护逻辑动态模拟研究

通过系统地梳理模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)功率模块级故障及保护逻辑,提出了其动态模拟方案,其核心是利用RTDS计算核心的强大运算能力将故障设置信息、触发控制字经高速通信光纤以小步长(小于2. 5μs)动态发送给FPGA处理。该方案适用于含实际控制保护装置的实时闭环仿真系统,不仅可实现功率模块级故障及保护的微秒级动态模拟,还可实现多重故障的动态模拟。最后,以南方电网某柔性直流工程发生的单一功率模块故障引起柔性直流停运的事故为例,利用所提方案建立了仿真模型并开展了复现试验,仿真结果验证了所提方案的有效性。

模块化多电平换流器功率模块故障鲁棒检测

介绍了一种模块化多电平换流器功率模块的故障鲁棒检测方法。针对功率模块模型的不确定性,建立了故障检测的自适应阈值区间。分析了功率模块动态特性的等张性,利用顶点算法构造了不同不确定因素的响应轨迹区间,用所有不确定因素的响应轨迹曲线的上下外包络线形成故障检测的自适应阈值区间。该方法对所考虑的不确定因素具有鲁棒性,而对故障保持了敏感性,能有效降低故障检测的误报率和漏报率。仿真实验验证了该方法的有效性。

基于模块化多电平换流器的±500kV/3000MW柔性直流输电系统功率模块闭环测试方法研究

为满足与日俱增的用电需求,高电压、大容量将是柔性直流输电技术未来的重要发展方向。考虑到电力电子器件和电缆制造工艺的发展情况,±500kV/3000MW模块化多电平换流器将成为近年的研究热点。功率模块作为换流器的基本单元,它的设计对整个系统尤为关键。因此,需要对换流器功率模块进行实际工况下的测试试验以确保其设计符合工程要求。为设计有效的测试试验电路,本文首先分析了±500kV/3000MW换流器实际运行时的电气特性,然后介绍了现有测试电路的结构及原理,随后提出了两种测试试验的闭环控制策略,其分别基于交、直流电流解耦控制和PIR数字控制器,最后通过仿真验证了所提出的两种闭环控制策略的正确性和有效性。

功率同步控制的模块化多电平换流器阻抗建模及谐振稳定性分析

为了研究模块化多电平换流器(MMC)采用功率同步控制时的阻抗特性和其接入后系统的宽频谐振稳定性,通过谐波状态空间方法,考虑MMC的内部动态特性和完整的控制回路,建立了MMC采用功率同步控制时的等效阻抗模型。分析了功率同步控制中新引入的功率同步环、无功-电压控制及其他主要控制环节对阻抗特性的影响。研究表明采用功率同步控制的MMC在次同步频段和高频段均可能出现负阻尼效应,因而存在引发谐振不稳定的风险。基于PSCAD/EMTDC进行了阻抗扫描和电磁暂态仿真,其仿真结果分别验证了所建立模型和稳定性分析结果的准确性。

模块化多电平换流器功率模块过压保护策略及优化

阐述了模块化多电平换流器(MMC)功率模块IGBT不同封装方式及失效机理,分析了功率模块在故障前后及旁路开关闭合前后的工作原理。阐述了不同IGBT封装方式的MMC功率模块过压保护工作原理,针对焊接式IGBT功率模块过压保护策略存在电压测量过程中采样异常导致换流器跳闸的风险,对功率模块过压保护策略提出优化设计。优化策略在功率模块控制板卡中实现,程序资源占用量小且易于实现,有效避免了高层级控制设备误判误动作的风险。此外,提出了过电压判据以避免系统过压时误旁路功率模块。通过仿真验证了文中所提优化策略的有效性和可行性,所提出的优化策略已在某一实际工程中应用。

模块化多电平换流器稳态功率运行范围的确定方法

为了确定模块化多电平换流器(MMC)的稳态运行范围,首先研究了MMC额定运行点的确定方法,介绍了换流变压器阀侧额定电压的选取过程。在此基础上,通过相量图分析的方法,建立了换流器P-Q图与电气相量图间的映射关系,直观地揭示了各个电气量的大小与MMC稳态功率运行范围的关系。分析了内部电动势幅值和相角的可行范围,指出内部电动势的幅值大小是限制MMC无功功率输出大小的主要因素。最后通过一个算例说明了MMC稳态功率运行范围的确定与校验过程。

模块化多电平电压源换流器的数学模型

为了得到能够直观反映装置运行规律的数学模型,为装置性能的研究、主电路参数设计及控制系统设计等提供研究基础,将开关函数和瞬时功率结合,建立模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的时域解析数学模型。该模型给出换流器交直流电压、桥臂电流电压、桥臂子模块电容电压总和以及单个子模块电容的电压电流的时域解析表达式,可以正确反映上述各电气量与主回路参数的关系。计算和仿真结果表明,该建模方法是可行的,并具有较高的精确度。

电网故障时模块化多电平换流器型高压直流输电系统的分析与控制

电网故障条件下模块化多电平换流器型高压直流输电系统的控制策略是目前亟需进行的一个研究课题。为此,基于Kirchhoff定律,给出了描述模块化多电平换流器(MMC)交流侧和直流侧动态特性的通用动态数学模型。该模型不仅适用于交流电网对称状态,而且适用于交流电网不对称故障状态,并考虑了换流变压器漏感的影响。根据对称分量法将换流器的通用动态数学模型分解为包含正序和负序分量的2个子系统,引入了换流器的正序和负序电流矢量解耦控制器以及外环功率控制器,可以实现在交流电网正常以及故障状态下对模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统的有效控制。设计了电网故障期间MMC输送功率的动态限幅控制,可以根据故障的种类和程度调节输送功率的限幅值,防止开关器件过载。指出了总直流电流在3个相单元之间的分配在交流系统对称状态下是基本均匀的,而在交流系统不对称故障状态下是不均匀的。仿真结果验证了所设计的电网故障时MMC-HVDC控制器的有效性和正确性。

交流电网强度对模块化多电平换流器HVDC运行特性的影响

模块化多电平电压源换流器高压直流输电(modular multilevel converter high voltage direct current,MMC-HVDC)技术是一种新型的电压源换流器直流输电技术。计及交流系统与换流站交换功率的数学关系,应用图解法分析了交流电网强度对MMC-HVDC系统稳态特性的影响,同时分析了接入强、弱交流电网的直流系统在不同控制方式下设定值改变时的暂态特性。结果表明功率圆的大小及其相对位置可以直观地反映交流电网的强弱,以及控制方式对MMC-HVDC系统运行特性的影响。最后PSCAD电磁暂态仿真验证了上述结论的正确性。

交流系统不对称时模块化多电平换流器的控制

在交流系统不对称的情况下,三相模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)内部会出现零序性质的2次谐波环流,该零序分量将进入MMC直流侧,加剧直流电压、电流和功率的2倍频波动。为抑制直流侧功率的2倍频波动,以瞬时功率理论和比例谐振调节器为基础,设计了两相静止坐标系下MMC的控制策略。该控制策略由交流回路控制和直流回路控制2部分构成,前者实现MMC与交流系统之间的功率调节;后者实现MMC内特性的调节,主要抑制MMC环流中的2次谐波成分,使桥臂电流波形接近正弦。仿真系统采用不控整流站,逆变站采用MMC,结果表明:在交流系统不对称的情况下,该控制策略有效抑制了环流中的2次谐波成分以及MMC直流侧电压、电流和功率的2倍频波动。