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。

基于模块化多电平矩阵式换流器的分频输电系统低频侧阻抗建模及稳定性判别

针对风电机组经分频输电并网系统低频侧稳定性判别的问题,该文采用阻抗分析方法,结合基于阻抗矩阵k-范数的稳定判据,实现了并网系统低频侧稳定性的快速判别。首先,基于模块化多电平矩阵式换流器(modular multilevel matrix converter,M3C)的数学模型,针对M3C低频侧接风电机组并网这一典型场景设计了相应的无源控制器和对应的滤波电路,并对风电机组的模型进行了简化。其次,推导了M3C低频侧和风电机组的dq轴阻抗模型并利用扫频法验证了该文阻抗建模的正确性。然后,针对该系统低频侧稳定性设计了基于系统阻抗矩阵范数的快速判稳方法。最后,利用MATLAB对风电机组经分频输电并网系统低频侧的稳定性进行了判别并基于PSCAD仿真验证了该方法的有效性。

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。

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。

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。

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。

模块化多电平换流器子模块分布式均压控制策略

针对模块化多电平换流器(MMC)在高压大功率领域模块数成倍增加时,子模块电容均压算法复杂且其控制系统设计困难等问题,提出一种分布式均压控制的子模块拓扑,将子模块电压均衡控制集成到子模块内,简化系统级控制的设计。详细分析该拓扑的均压原理和工作状态,设计一种基于滞环比较器的分布式均压方法,并分析均压模块电感参数选取原则。利用MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,验证所提MMC子模块分布式均压控制的有效性和可行性。

计及异频耦合谐波的模块化多电平矩阵变换器阻抗建模

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)是低频输电系统的核心装备,所连接异频交流系统电气量在变换器桥臂直接耦合,其桥臂电气量不仅含有两侧交流系统各自基频的整数次谐波,还含有二者交互耦合产生的非基频整数倍谐波分量(称为异频耦合谐波)。忽略子模块直流电压动态和异频耦合谐波、以基频为频率间隔的多谐波线性化建模方法,难以准确刻画M3C的谐波特性,影响阻抗模型的精度,无法揭示子模块直流电压动态及谐波对阻抗特性的影响机理。论文首先基于M3C谐波特性分析,建立考虑两侧交流系统异频耦合谐波的多谐波向量频域模型,并通过M3C 9个桥臂多谐波小信号的相序关系和传递关系分析得到M3C单桥臂主电路小信号模型,降低阻抗建模复杂度;在此基础上,进一步考虑控制环路频率耦合效应的影响,建立能够准确反映直流电压动态和谐波特性影响的M3C序阻抗模型。最后,在RT-Lab实时仿真平台上通过时域仿真和扫频实验,验证M3C阻抗模型的准确性,并对影响阻抗特性的关键因素进行分析。

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。

模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略

针对用于高压直流输电的新型模块化多电平电压源换流器,详细分析了其预充电动态过程,以寻求合适的预充电控制策略。首先以单站模块化多电平结构电压源换流器(modular multilevel converter,MMC)为研究对象,将换流器预充电分为2阶段,分析了各阶段,特别是MMC解锁瞬间过电流的形成机制及影响因素;为保证换流器解锁后,控制器对充电电流的有效控制,对多电平调制算法进行优化,使其在换流器预充电和正常运行阶段均适用;同时就基于MMC的柔性直流输电(MMC-HVDC)运用于向无源系统供电和作为"黑启动"电源的应用场合,需要一端交流源同时向双站两端预充电时,针对逆变站MMC电容充电不足的问题,提出一种整流站和逆变站协调配合的双站两端预充电控制策略;最后构建向无源系统供电的MMC-HVDC数字和物理仿真模型,验证了所提出控制策略的可行性和有效性。

模块化多电平换流器电容电压的分布式均衡控制方法

子模块电容电压的均衡控制是模块化多电平换流器(MMC)的关键问题,通常的做法是在中心控制器通过排序法或附加控制量法集中实现电容电压的均衡控制,当级联的子模块数目巨大时,中心控制器存在占用计算资源过多甚至难以实现的问题。提出一种MMC子模块电容电压的分布式均衡控制方法,将电容电压的均衡控制环分散到各子模块控制器中实现,每个子模块控制器仅需要完成自身电容电压追踪桥臂电容电压平均值的控制,均衡控制环简单且占用计算资源小,当级联的子模块数目大幅增加时,中心控制器的计算资源变化较小。通过对基于MMC的双端柔性直流输电系统的RT-LAB仿真结果和物理试验结果验证了所提出的分布式均衡控制方法的正确性和有效性。

改进式模块化多电平换流器快速仿真方法

提出了一种改进式模块化多电平换流器(MMC)快速仿真方法,与已有的模块化多电平换流器快速仿真方法相比,其改进体现在能够精确地对MMC闭锁状态下的桥臂进行模拟。改进式MMC快速仿真方法利用一个等效子模块替代一个桥臂,在MMC非闭锁情况下,桥臂等效为一个戴维南等效电路,与已有的MMC快速仿真方法相似;而在MMC闭锁情况下,桥臂将被等效为一个具有集中参数的半桥不控子模块。在PSCAD/EMTDC仿真软件中进行二阶段启动以及直流线路故障的仿真验证,已有的MMC快速仿真方法在处理MMC闭锁问题时由于未考虑二极管的插值问题,具有较大的计算误差,而所提出的改进式MMC快速仿真方法,很好地解决了二极管的插值问题,具有较高的仿真精度。

基于模块化多电平换流器和组合式变压器的高速铁路同相牵引供电系统

为解决高速铁路大容量负荷补偿需要、降低有源补偿装置容量,提出了基于模块化多电平换流器(MMC)与组合式接线变压器相结合的有源补偿同相牵引供电系统。设计了基于MMC的直挂型潮流控制器(PFC)拓扑结构,并推导了MMC参数计算方法。提出了负序灵活补偿策略,在负序满足国标的前提下节省了有源补偿装置容量。与传统同相牵引供电系统相比,该方法在满足更高的电压等级和功率要求的同时,节省了匹配变压器成本,降低了有源补偿容量。最后给出了系统控制策略,并通过仿真分析验证了所提方案的有效性与正确性。

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。

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。

协调功率控制及环流抑制的模块化多电平换流器互联阻尼配置无源控制方法研究

目前,大部分模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的控制技术将功率传输与环流抑制分别进行建模和控制,难以保证系统的全局稳定性。为此,将具有全局稳定性和强鲁棒性的互联阻尼配置无源控制IDA-PBC(interconnection and damping assignment passivity-based control)方法应用于MMC的控制器设计中。在两相静止坐标系下建立MMC的数学模型和端口受控哈密顿模型,推导了IDA-PBC控制器的表达式和控制参数范围,与其他MMC控制方法不同的是,IDA-PBC控制器可以在控制功率传输的同时实现环流抑制,并可以得到控制参数取值范围,进而能够综合分析控制系统的稳定性。最后,通过仿真研究验证了所提控制策略的可行性和有效性。

级联式模块化多电平矩阵变换器控制策略的优化

级联式模块化多电平矩阵变换器(Modular Multilevel Matrix Converter,M 3 C)是一种新型直接交-交变换器,拓扑结构由级联H桥构成,其优良特性适用于中/高压大功率变换场合.介绍了M 3 C的拓扑电路,分析了构成拓扑电路的H桥开关单元的工作状态,并且详细地讨论了各个桥臂连接规律和开关操作方法.采用SVPWM调制策略,区别于以往M 3 C运行时随机选择导通桥臂的调制策略,提出了轮换应用三组桥臂连接模型来合成输入/输出的优化控制方法,通过三组不同的桥臂连接状态使各桥臂的动作次数趋于一致,且出现“+1”、“-1”状态的次数相同,以达到更好的输出效果.构建了基于Matlab/Simulink的M 3 C的仿真模型,验证了所提出的调制策略的有效性和可行性.

基于改进型模块化嵌入式多电平换流器拓扑的HVDC直流故障清除策略

目前,已有的高压柔性直流输电工程大多都采用包含半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC),但是半桥型MMC缺乏直流故障清除能力。为解决这一问题本文在原来模块化嵌入式多电平换流器(MEMC)拓扑的基础上提出了改进型MEMC拓扑,该拓扑具有更高的可靠性和功率处理能力,并提出了一种控制技术,用全桥子模块产生的负电压对功率因数滞后的负载进行晶闸管的强制换相。改进型MEMC除具有直流故障清除能力外,还提供了更宽的工作范围和更小的子模块电容器尺寸。最后在PSCAD/EMTDC中搭建改进型MEMC-HVDC模型,并进行直流故障仿真,仿真结果验证了该拓扑的适用性和直流故障清除能力。

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。

模块化多电平矩阵换流器准比例谐振控制研究

模块化多电平矩阵换流器(MMMC)作为一种新型的AC/AC变换装置,在分频输电等低频大容量场合很具优势,但其桥臂电流的控制较为复杂。首先对MMMC的拓扑结构进行分析并建立了数学模型,研究了桥臂电流的构成。针对桥臂电流传统的直接控制法控制精度较差的问题,引入了准比例谐振(QPR)控制策略,根据分频输电系统的特性设计了基于输入输出频率的准比例谐振控制器。根据系统有功和无功的控制要求,给出了定有功控制和定无功控制的外环控制策略。同时,推导了子模块电容电压和有功功率的关系,并对其应用双Clarke变换,提出了基于系统有功功率的子模块电压平衡策略。最后,在仿真平台上搭建了MMMC-FFTS系统仿真模型,对系统的稳态和暂态响应分别进行了仿真,并对直接控制和QPR两种控制方法的仿真结果进行了比较。仿真结果表明:改进的控制方法具有良好的稳态和暂态性能,且参考值跟踪精确度更高,验证了所提方法的可行性与优越性。