基于零序电压注入的模块化多电平变流器故障容错控制

随着模块化多电平变流器(MMC)在高压大功率电能变换领域的应用日渐增多,其故障带来的损失将显著增加。为了解决上述问题,文中提出了一种针对三相三线制系统的MMC容错控制策略。利用电容电压冗余排序方法克服普通载波层叠脉宽调制方法所固有的功率不均衡;在详细阐述不同容错控制方案的基础上,提出零序电压注入方法,以保证线电压恒定为基本思路,对超出临界电压区间的调制波进行重构,使MMC具有可靠的故障穿越能力。最后,以一台4.5kVA的三相MMC样机为例进行了实验验证,实验结果验证了所述方案的正确性和可行性。

零序电压注入法控制三电平NPC中点电位平衡

学术界有两种解决中点电位波动问题的思路,基于空间矢量调制(SVPWM)控制的小矢量调节和基于载波调制(SPWM)控制的零序电压注入。采用的中点电位平衡控制方法是带校正控制的改进型的零序电压注入法,相较于传统的零序电压注入法,不仅兼顾了传统鞍形调制波的优势,还解决了此种调制波存在的过调制问题,并研究了实用的校验与修正零序电压计算方法,使得中点电位波动限制在5 V以内,网侧电流THD也相应的降低了1%。最后通过MATLAB/Simulink软件仿真和实验验证了所述控制方法的正确性和可行性。

一种零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡控制方法

T型三电平逆变器因其功率器件使用数量少、通态损耗低和功率密度高而被广泛应用于低压大电流领域。T型三电平逆变器的中点电位平衡控制是其关键技术之一,中点电位的不平衡将会导致输出电压和电流的谐波畸变率增加,且会降低直流侧电容的使用寿命。该文在传统的零序电压注入法基础上,研究了一种基于前馈加反馈补偿的零序电压注入,用以控制中点电位的平衡和抑制低频电压的脉动。通过建立T型三电平逆变器的开关函数模型和中点电位模型,详细分析了中点电位的平衡机理,推导了三相调制电压与注入零序电压之间的关系。该方法省去了复杂的占空比计算,可以实现中点电位平衡控制和低频电压脉动的抑制。最后通过实验验证了所提出的控制方法的正确性和有效性。

改进的零序电压注入法控制NPC逆变器中点电位平衡

中点电位平衡控制问题是三电平中点箝位(NPC)逆变器实际应用中的一个关键问题,而基于载波脉宽调制(CBPWM)的零序电压注入法是解决该问题的有效控制策略。基于此,文中提出一种基于CBPWM的零序电压注入法的改进控制策略。该方法只需要三相参考电压和直流侧电容的电压就可得出所需的零序电压注入信号,不需要三相输出电流,可简化计算过程。通过在Simulink中搭建仿真模型,对所提出的控制策略进行验证。结果表明,文中的控制策略能够有效地平衡直流侧电容的电压,相比其他零序电压注入控制方法,具有计算量小、不需要三相电流、实现简单的优点,且能够保持较低的三相输出电流THD。仿真结果与理论分析结果基本一致,说明所提出的改进控制策略是有效的。

电网电压跌落下基于零序电压注入的星形级联H桥STATCOM相间直流电压均衡控制策略

星形级联H桥STATCOM通常采用零序电压注入的方式实现相间直流电压均衡。不同于负序电流注入,基于零序电压注入的相间直流电压均衡控制在三相三线系统中不会产生零序电流,有利于系统的电能质量。在传统的控制算法中,零序电压通过不平衡的有功功率与电流计算得出。控制算法包含大量的复杂运算与矩阵运算,需要消耗控制器大量的资源,不利于系统设计与扩展。不仅如此,为了提高电网电压不平衡下的动态性能,在前馈控制中引入正负序分离,增加控制算法的复杂度。为了简化控制算法,该文提出采用PI调节器线性调节零序电压在dq坐标系上的直流分量。同时,通过理论分析,发现前馈控制中的零序电压与电网零序电压相等,故可去除正负序分离,进一步简化算法。最后,搭建400V/7.5kvar的星形级联H桥STATCOM样机验证所提出的控制算法。

基于零序电压注入的七电平有源中点钳位型逆变器中点电压平衡控制方法

该文首先介绍七电平有源中点钳位型（seven-level active neutral-point-clamped inverter,ANPC-7L）逆变器及其悬浮电容电压控制问题;然后利用平均状态的概念将悬浮电容电压控制问题与母线中点电压控制问题进行解耦,建立基于零序电压注入的中点电压平衡控制模型,推导出中点电压的完全可控区域;最后,在此模型的基础上,提出一种试探–验证型的母线中点电压平衡控制实时算法。针对ANPC-7L逆变器的特殊性,对此方法进行进一步的优化,保证了串联管工作频率为逆变器输出频率,避免了相电压的多电平跳变。在一台380V/5k W的ANPC-7L逆变器上取得的实验结果证明了所提算法的有效性。

基于零序电压谐波注入式脉宽调制的五相永磁电机直接转矩控制

五相永磁电机传统直接转矩控制(direct torque control,DTC)方法存在转矩与磁链脉动过大以及相电流谐波畸变率较高的问题,而利用空间电压矢量调制技术的改进型DTC的推导及实现又较为复杂。为解决上述问题,该文提出一种简易的五相永磁电机直接转矩控制策略。该策略引入了与空间电压矢量调制技术等效的基于零序电压谐波注入式脉宽调制技术,可在保持电机良好动态响应性能的同时,有效减小电机的转矩和磁链脉动,并大幅降低相电流的3次谐波含量。此外,该方法可使控制过程中的计算得到很大程度简化,易于在数字控制器中实现。仿真和实验结果证明了理论分析的正确性及所提控制策略的可行性。

采用基频零序分量注入的MMC换流器故障容错控制研究

针对模块化多电平变流器(Modular multilevel converter,MMC)冗余子模块在故障时存在耗尽的情况,提出了基频零序分量注入的故障容错控制方法。通过与中性点偏移相结合,保证即使出现冗余子模块耗尽,MMC仍能继续安全运行,解决剩余正常子模块承受应力不均衡问题,保障系统安全、可靠运行。同时,利于减少冗余备份量,并大幅度降低硬件成本和提高运行可靠性。经Matlab仿真验证了所提方法的正确性和有效性,为基于MMC的海上风电柔性直流输电变流器的可靠运行提供了一种有效的故障控制方案。

基于IGBT器件串联的MMC随机零序分量注入PWM方法

随着模块化多电平换流器的发展,提高模块化多电平换流器(MMC)的容量及电压等级成为研究热点。通过建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联模块化下的MMC换流器模型,考察载波移相调制策略下换流器的输出电压畸变情况,以及在开关频率处的电磁噪声幅值。提出一种随机零序分量注入脉宽调制(PWM)方式,并基于随机过程原理,对比不同随机PWM下开关函数的功率谱密度,并从理论和仿真两个方面研究随机PWM对MMC换流器的降噪效果。仿真结果表明,提出的随机PWM方式简单有效,能明显降低大容量高电压的MMC换流器的噪声。

电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略

交流电网不对称故障工况下模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)存在相功率不均衡的问题,常规的基于直流环流注入的调控方法会引起桥臂电流不对称,导致各相电流应力不相等;而基于零序电压注入的方法可能导致系统过调制,危害系统安全稳定运行。针对传统相功率均衡控制策略的局限性,提出一种交流电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略。首先,分析基于零序电压和直流环流注入的MMC相间功率调控原理,指出不同方法单独进行相间功率均衡的局限性。其次,研究零序电压注入方法的过调制边界,引入相功率分配系数,给出不同故障下相功率系数优化方法,提出基于零序电压和直流环流注入协调的MMC自适应相功率均衡控制策略。最后,通过仿真验证了机理分析与所提控制策略的正确性和有效性。

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。

三电平NPC逆变器共模电压抑制

调制策略是三电平中点箝位(NPC)型逆变器的关键技术之一。传统脉宽调制策略能平衡中点电位,但会产生较大共模电压(CMV)。针对上述缺点,提出一种基于零序电压(ZSV)注入的三电平正弦波脉宽调制(SPWM)策略,能同时平衡中点电位和抑制CMV。在一个载波周期内,所提调制策略通过ZSV的注入和调制波的分解,能保证中点电位的平衡;通过调制波的分解和开关序列的优化,能抑制逆变器产生的CMV。该调制策略实现简单、计算时间少,能在输出电压全范围内控制中点电位平衡,同时能有效抑制CMV。最后,与传统空间矢量脉宽调制(SVPWM)策略进行实验结果对比分析,验证了所提调制策略的可行性和有效性。

级联H桥有源电力滤波器直流侧电压控制

直流侧电压的大小和变化将直接影响有源电力滤波器(APF)的补偿性能。经过对功率模型的数学推导,得出通过注入零序电压可以有效地控制各级联H桥相相之间直流侧电压的平衡;同时对模块间电压不平衡及电网电压不平衡下导致的直流侧电压不平衡原因进行了分析;最后结合直流侧全局稳压和模块间均压,构成电压的三层控制,实现了电压均衡和稳定,在电网不平衡的情况下也可以起到较好的效果。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

特高压混合三端直流输电系统定功率MMC交流故障穿越策略

送端采用电网换相换流器(LCC),受端采用模块化多电平换流器(MMC)的特高压混合直流输电系统是直流输电技术重要的发展方向之一。在该系统中,各换流站每极均由高、低两个阀组直流侧串联而成。当其受端MMC发生网侧故障时,现有穿越策略或将引起定有功功率MMC阀间均压环节失效,从而导致子模块电容过压的问题。针对该现象,首先梳理了系统在故障工况下面临的主要问题和矛盾;接着,重点针对阀间均压环节失效的内部机理进行了研究,并提出了一种基于有功功率限幅值的站间协调穿越策略,此外,为使其能够较好地适用于不对称故障,采用了一种零序电压注入的方法,以平衡不对称故障下相单元间的桥臂电流直流分量;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了相关模型,通过仿真对比,验证了本文策略能够兼顾不同受端站的桥臂过流和子模块过压风险,实现交流故障的可靠穿越,并尽可能地提升了故障期间的功率传输能力。

一种基于方波注入的星形级联静止同步补偿器的负序电流补偿策略

星形级联H桥静止同步补偿器(SCHB STATCOM)补偿负序电流时会产生三相不平衡有功功率,造成相间直流电压不均衡。为了实现相间直流电压均衡,通常需注入零序电压以重新分配三相有功功率。然而,传统的零序电压注入算法普遍基于有功功率的代数模型,方程组求解复杂且无法直观地表明零序电压的产生机理。此外,零序电压的注入将极大地增加STATCOM的输出电压,限制了负序电流的补偿范围。该文借助几何分析方法,构造零序电压相量在三相电流方向上的投影三角形,推导零序电压相量与该三角形外心的几何关系,揭示零序电压的产生机理,从而提出一种新的零序电压计算方法。在此基础上,进一步将零序电压以方波形式注入,提高了STATCOM的直流电压利用率,从而拓宽了负序电流补偿范围。最后,分别在SCHB STATCOM结构10kV/±1Mvar仿真和400V/±7.5kvar实验平台验证该文提出的零序电压注入算法的可行性。

不对称级联多电平混合储能低电压穿越控制

低电压穿越(LVRT)能力是衡量级联多电平储能系统(ESS)稳定性的重要指标。针对电池与电容级联而成的不对称混合ESS,此处提出了链节间的协同工作方法,使电池链节与电容链节在LVRT过程中保持正序分量相位不变。针对相间的不对称链节,此处通过修改电池链节的指令,消除设备不对称对相间功率平衡过程的影响,使传统的零序电压注入法能够应用在三相不对称场合。所提控制方法能够使设备在电网不平衡时维持直流侧电容稳定,保持输出电流不变。最后通过实验验证了所提方法的正确性和有效性。

不平衡下小容值级联STATCOM直流电压控制

为了降低成本、提高功率密度,星形级联H桥(CHB)静止同步补偿器(STATCOM)的直流侧电容通常采用小容值。在电网电压不平衡下,CHB STATCOM的直流电压纹波不再平衡,传统方法不再适用,直流侧容易产生过压保护,降低系统可靠性。为了解决该问题,首先通过建立有功功率模型,提出简化的零序电压注入方法实现电网电压不平衡下三相间有功功率平衡。为抑制直流电压纹波,避免直流过压保护,通过建立STATCOM直流电压与输出电压的关系,提出注入最优3次谐波电压降低直流峰值电压大小。最后,搭建了400 V/±7 kvar的CHB STATCOM样机,验证了提出方法的可行性与有效性。

基于级联延时信号消除-锁相环算法的配电网静止同步补偿器控制策略

对于配电网静止同步补偿器(distribution static synchronous compensator,DSTATCOM),并网电压的相位实时检测是无功功率检测以及各种坐标变换的关键。在传统的基于同步旋转坐标系的锁相环的基础上,提出了基于级联延时信号消除(cascaded delayed signal cancellation,CDSC)的锁相环算法,以抑制电网电压负序分量和谐波分量对检测结果的影响,并采用拉格朗日插值算法提高相位检测的精度和速度。将该方法应用于负载平衡和不平衡情况下的星形连接的级联式DSTATCOM系统中,平衡情况下采用基于分相控制和有功电压矢量叠加法的控制策略,不平衡情况下采用基于分相控制和零序电压注入法的控制策略,仿真结果验证了控制方法的正确性和有效性。

载波PWM方法三电平逆变器中点电位控制研究

分析了三电平中点箝位(Neutral Point Clamping,简称NPC)逆变器的中点电位平衡问题,讨论了通过注入零序电压实现中点电位控制的载波PWM方法,并在此基础上对一种实时控制中点电位平衡的方法进行了改进,提出一种基于零序电压注入的载波交叠PWM方法。仿真及实验结果验证了该方法良好的中点电位控制能力及输出电压谐波特性。

改进同步SVM过调制在机车牵引永磁同步电机中的应用

针对机车牵引大功率永磁同步电机,提出了一种基于同步调制和零序电压注入的空间矢量调制（SVM）过调制方法。综述了当前对机车牵引变换器调制算法的研究,介绍了同步载波调制的切换方式选择方案,详细分析了SVM过调制在零序电压注入方式下的实现方法,推导了其在注入区、补偿区、修正区及六脉波区的数学表达式。提出的机车牵引变换器调制方法可以降低开关频率、减小分数次谐波。零序电压注入的SVM过调制方法实现方式简单、无参数依赖、能够平滑过渡到六脉波调制模式。最后通过仿真和实验的方法在永磁同步电机实验平台上验证了所提方法的正确性,该方法在不增加其它硬件成本的情况下,可减小开关频率为500 Hz以下、减少开关损耗、提高电流谐波特性,有一定的工程应用价值。