模块化多电平矩阵换流器的等值阻抗模型解析分析

模块化多电平矩阵换流器(M3C)的阻抗建模是柔性低频输电系统稳定性分析和故障特性分析的关键理论基础。介绍了M3C的拓扑结构、数学模型与控制策略。在此基础上,分析了计及M3C拓扑结构特点、dq坐标变换过程和双dq分解控制的扰动电流-桥臂电压-扰动电压传递响应特性,推导了M3C等值阻抗特性与频率的关系,建立了可用固定电阻与随频率变化电抗串联表示的M3C等值阻抗数学模型。在PSCAD/EMTDC仿真平台上利用扫频法对等值阻抗理论分析的准确性进行验证,并讨论了系统控制参数、运行功率、一次参数等不同因素对M3C阻抗频率特性的影响。

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。

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。

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。

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。

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%。

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拓扑和工业应用综述

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在高压大功率系统领域已展现出极其重要的工程应用前景。首先介绍了典型MMC的电路拓扑和工作原理,然后分别从子模块级拓扑和系统级拓扑2个方面,系统回顾了MMC拓扑的国内外最近研究进展,总结了MMC在柔性直流输电、电力传动、高压直流功率变换、电能质量问题治理等工业领域的工程应用现状。在此基础上指出MMC今后亟待研究的关键问题。相关研究结果表明,MMC在电力系统中具有广泛的应用前景,是未来中高压大功率系统的重要发展方向之一。

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。

模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析

模块化多电平换流器型直流输电(MMC-HVDC)是新一代多电平电压源换流器直流输电拓扑,它利用多个子模块串联,并采用特定的触发方式使桥臂电压波形逼近正弦,但其三相间的内部环流使得流过桥臂的正弦电流产生畸变,增大了桥臂电流的峰值,从而提高了对开关器件电流容量的要求。为研究桥臂环流的计算方法,通过瞬时能量平衡关系,分析了MMC内部环流的产生机理,指出其为2倍基波频率,且为负序性质,并进一步推导了环流大小的解析表达式,为选择桥臂串联电抗器,抑制环流提供了依据。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了21电平MMC-HVDC双端系统模型,并采用了子模块电压均衡控制方法,仿真结果验证了该模型的有效性和环流计算公式的准确性。

模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析

为了分析模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块电容电压波动和内部环流的基本成分,以开关函数为出发点,对电容电压波动和环流进行了数学分析。分析结果表明:基频波动和2倍频波动是电容电压波动的基本成分,并得出其解析表达式;内部环流仅包含偶次谐波成分,且以2次谐波环流为主,并给出其幅值的解析表达式。针对环流对MMC运行的影响,分析了MMC交流侧相电压中的谐波成分,结果表明环流导致MMC输出相电压中的奇次谐波含量增大,尤以3次谐波最为明显,且给出了3次谐波幅值的计算表达式。仿真结果表明上述理论分析是准确的,为子模块电容值和桥臂电感的选取提供了理论基础。

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。