基于模块化多电平矩阵变流器的可调速抽水蓄能系统

可调速抽水蓄能电站可以有效平抑新能源出力波动,增强电网对新能源发电的消纳能力。模块化多电平矩阵变流器(M3C)作为一种极具潜力的高电压、大容量、组合式多电平变流器,可以有效满足可调速抽水蓄能系统对超大容量交交电能变换装置的需求。为解决目前可调速抽水蓄能系统中电力电子变换装置容量小、谐波大、调节速度慢等问题,提出一种基于M3C的可调速抽水蓄能系统,可显著增强可调速抽蓄电站对电网的频率调节能力。为验证相关分析,搭建了10kW具有27个子模块的M3C实验平台,以全功率型M3C带感应电机为例,验证了M3C抽水蓄能系统在水泵及发电模式下的全频域运行特性。

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。

模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析

基于模块化多电平矩阵换流器(M3C)的柔性低频输电系统在中远海风电外送、异步电网互联等方面优势突出。然而,有别于模块化多电平换流器(MMC)等其他电力电子换流设备,M3C的控制策略将导致系统故障特性发生显著变化。现有将电力电子设备负序部分等效为开路的故障等值与响应特性计算方法无法适用。文中计及M3C正序定电容电压总平均值控制、负序电流注入控制以及环流控制分层构成的桥臂电容电压均衡策略,推导了工频侧线路故障以后,M3C输入输出功率均衡、桥臂功率均衡(电容电压均衡的必要条件)与正负序电压电流间的映射关系,由此构建了工频侧线路故障(不对称、对称)后的M3C输出电压电流响应特性的等效模型。在此基础上,提出了M3C接入下工频侧线路故障后电压电流响应特性的精确计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建了海上风电柔性低频送出系统仿真模型,通过大量仿真算例充分验证了所提故障特性分析方法的正确性和精确性。

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。

模块化多电平变流器电容电压均衡策略研究进展

半桥式模块化多电平变流器(half-bridgemodular multilevel converter,HB-MMC)直流侧电容电压分散于数百个子模块,动态交互复杂,电容电压均衡是MMC稳定运行的关键前提,快速、可靠且易于实现的MMC电容电压均衡策略一直是工程界和学术界的研究热点。本文梳理了近年来国内外的研究成果,梳理了基于子模块电容电压采样和无需子模块电容电压采样两大类及其细分的均压策略,并归纳了特殊工况下子模块电容电压均衡控制方法;最后,综合对比各类电容电压均衡策略的特点,并探讨未来MMC电容电压均衡策略的研究趋势,展望其应用前景,以期为MMC在不同电压等级下的安全稳定运行提供有价值的参考。

基于单级多电平开关变流的超大容量海上风电变流器

海上风机正向超大容量方向发展,基于较低电平数目变流技术的风电变流器在电压、容量等级的提升方面受到限制。提出了基于单级多电平开关变流的超大容量海上风电变流器方案,采用直流电压可大范围调节的宽直流电压模块化多电平变流器(MMC),在单级多电平变流器中实现DC/DC和DC/AC两级变换功能。基于风电变流器的单向功率传输特性,采用单向电流型宽直流电压MMC优化开关器件用量,并基于负电平利用优化调制比大幅降低MMC的子模块电容用量。所提出的方案不仅具有电压与容量等级高、功率损耗低、谐波含量低的优势,还能最大限度降低开关器件和电容的用量。与现有风电变流器方案进行对比,结果表明所提方案在经济性、运行性能等方面具有显著优势。通过仿真验证了所提方案拓扑结构和控制策略的可行性和有效性。

单相模块化多电平矩阵式变流器AC/AC同频变换桥臂能量控制方法研究

在电气化铁路牵引供电领域,单相AC/AC变换具有广泛的需求。模块化多电平变流器由于其模块化的结构、优良的输出电压波形、无需变压器等优点,在中高压大容量电能变换领域得到了广泛应用。采用AC/DC/AC变换方式的模块化多电平背靠背式变流器需要的功率模块数多、成本高;采用AC/AC变换方式的模块化多电平矩阵式变流器在输入输出电压同频时各桥臂能量容易发散,应用场合受限。本文针对单相模块化多电平矩阵式变流器,对其同频变换时的运行特性进行了理论分析。通过理论分析,得到了桥臂能量稳定条件,并进一步提出了一种桥臂能量均衡控制方法。通过MATLAB/Simulink的仿真实验,验证了桥臂能量稳定条件的正确性和所提出控制方法的有效性。

基于准PR调节器的模块化多电平变流器输电控制方法

基于不平衡交流电网内功率波动导致模块化多电平变流器子模块能量不平衡,间接导致模块化多电平变流器型高压直流输电性能受到影响的问题,提出复合控制方法,将基于子模块电压值的电平调制方法与环流抑制方法相结合,在PSCAD/EMTDC软件上构建交流电网模块化多电平变流器两端输电模型,实施对不平衡交流电网内有功功率仿真的控制。结果显示,所提方法可保障交流电网不平衡条件下子模块电容电压均值稳定。

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。

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。

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。

面向高压电机驱动的模块化多电平变流器低频控制研究

为了解决模块化多电平变换器(MMC)在低频工况下的子模块电压波动大的问题,提出了一种基于类两电平调制的低频控制方法,大大降低了低频运行下的子模块直流电压纹波。首先在桥臂能量波动基础上分析了MMC子模块电压波动机理,然后引入中频自由控制变量来进行补偿控制,推导了注入的中频电压和电流大小的公式,并详细介绍了控制方法的具体实现方式,最终通过对比实验验证了该方法的可行性和有效性。

基于模块化设计的矩阵式变流器控制策略研究

在目前各领域对于电能转换特别是高效变频装置存在迫切需求的背景下,在详细分析模块化的矩阵式变流器的拓扑结构、开关状态和工作原理的基础上,设计了一套矩阵式变流器的控制策略。采用编程实现了数字化控制,并利用PSIM仿真软件对所设计的控制策略进行了验证,仿真结果证实,所设计的控制策略具有变频特性良好、谐波含量少、波形正弦性好等优势。该矩阵式变流器控制策略对高性能电力电子装置设计具有实际意义。

模块化多电平电池储能系统功率控制与均衡策略研究

大量可再生能源接入电网会影响电网的稳定性和电能质量。电池储能系统作为可再生能源与电网间传递电能的接口,具有平抑功率波动、调频调压、提高电网运行稳定性的作用。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)有利于削弱电池不一致性所引起的短板效应,通过功率控制实现电池模块间的均衡。该文分析了MMCBESS的拓扑结构;针对MMC-BESS的直流侧、交流侧建立数学模型,通过控制能量的流动,提出一种对直流侧和交流侧的功率控制策略,以解决相间SOC均衡、桥臂SOC均衡、子模块间SOC均衡的问题,避免电池过充、过放,提高电池利用率;通过仿真模型验证了所提控制策略的有效性。

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。

面向模块化多电平矩阵变换器双基频电气耦合特性的动态相量建模方法

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)具有复杂的拓扑结构和双基频电气耦合特性,当前对于其双基频谐波耦合机理及影响缺乏有效的建模研究方法。针对上述问题,首先,考虑到分频系统频率的独立调节特性,提出一种基于2维Fourier变换理论的双基频动态相量方法,可实现任意双基频谐波在2个基频维度上的分解。其次,基于该框架建立了M3C内、外环控制模型,进而建立了计及闭环控制系统的M3C 3阶谐波截断动态相量模型和小信号模型。最后,基于MATLAB/Simulink环境,通过频率及功率各异的3个运行点开展仿真验证。研究结果表明,所建模型具有较高的精度,误差主要来源于模型未能覆盖的更高次谐波;同时,根据所建模型的动、稳态特性分析结果,进一步验证了所提建模方法的正确性。

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。