基于三次谐波注入的桥臂交替换流器子模块电容优化方法

桥臂交替换流器(AAC)具有子模块数目少和电容小等优点,在交直流系统功率互联和柔性直流输电中具备广阔应用前景。针对AAC存在的固定调制度运行缺陷和工程应用子模块电容经济性问题,提出了一种基于三次谐波注入的AAC子模块电容优化方法和闭环控制策略。文中首先介绍了AAC的拓扑结构和运行原理,根据换流器能量平衡方程给出注入三次谐波后AAC的宽调制度运行条件,并设计了AAC的闭环控制策略;然后,基于子模块电压波动数学模型,建立了AAC的能量波动方程,能够精确生成不同调制度和功率因数角下的能量波动模型,定量分析了注入三次谐波后能够降低的能量波动峰值和子模块电容优化率,所提出的子模块电容优化方法和闭环控制策略在实现AAC宽调制度稳定运行的同时,注入的三次谐波不改变AAC能量平衡条件,最高能够降低AAC子模块电容大小为传统控制方式下的12.1%;最后,在电磁暂态仿真软件和StarSim半实物平台中搭建模型,验证了所提分析方法和控制策略的有效性。

基于半波交替的轻型化MMC拓扑及控制策略

为了构造轻型化模块化多电平换流器(MMC)拓扑,基于桥臂交替导通思想和桥臂时分复用思想,分别在直流侧和交流侧引入导通开关和切换开关,提出了一种半波交替型模块化多电平换流器(HA-MMC)。通过上、下桥臂导通开关和交流侧切换开关的相互配合,HA-MMC相单元交替运行于上、下桥臂导通复用模式,可实现对复用桥臂子模块的全周期交替时分复用,从而降低子模块数量需求。针对桥臂能量平衡问题,采用移相切换策略对2种桥臂导通复用模式进行控制,以拓宽HA-MMC的运行范围。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了所提HA-MMC拓扑的可行性及其控制策略的有效性。与常规MMC相比,HA-MMC的子模块数量最多可降低75%,实现了轻型化目标。

一种新型全桥变桥臂型VSC-HVDC变流拓扑

目前广泛应用于VSC-HVDC的变流方案主要有3种:HVDC-light、HVDC-Plus和变桥臂多电平拓扑(alternativearm multi-level converter,A2MC)。A2MC结构采用变桥臂技术,在直流母线、损耗、子单元数量上与另外两种方案相比都有所改进。基于变桥臂变流原理,提出一种全桥型变桥臂多电平变流拓扑(full-bridge alternative arm multi-levelconverter,FA2MC),对柔性直流输电变流器性能进一步优化。系统阐述该拓扑结构的工作原理,并对FA2MC结构、A2MC结构和模块化多电平变流(modulator multilevelconverter,MMC)结构的子单元数量、IGBT数量以及损耗进行数学分析和理论推导。所提出的FA2MC结构在A2MC结构的基础上进一步降低了直流母线电压等级、子单元和所需IGBT数量,并且延续了A2MC结构损耗较低、具有直流侧故障阻隔能力的优势。仿真与实验结果验证了新拓扑结构的正确性和有效性。

全桥变桥臂电压源变流器拓扑参数及恒压策略研究

变桥臂多电平变流拓扑(alternate-arm multi-level converter,A2MC)是应用于电压源换流器直流输电的新型多电平换流器拓扑。该文阐述了一种新型全桥变桥臂多电平变流拓扑(full-bridge alternate-arm voltage source converter,FA2MC)的工作原理;针对该新型换流器拓扑,从桥臂能量平衡的角度,对其子单元电容参数进行了合理设计,并针对各子单元电容电压均衡的问题,给出了一种简单有效的电压控制策略及桥臂电感参数选取依据。对该拓扑进行了三相并网模型PSIM仿真,并在实验室制作了单相样机,得到的仿真及实验波形验证了该拓扑结构的电容电感参数设计及子单元电容恒压策略的正确性和可行性。

桥臂交替导通型多电平换流器的晶闸管换向方法

给出了一种用于桥臂交替导通型多电平换流器的晶闸管换向方法。当换向开关门极信号发生变化时,不立即改变所对应子模块组的输出电压,而是继续保持输出电压以强迫串联晶闸管关断,即通过延迟桥臂交替控制晶闸管作为换向开关。该方法的优点在于:损耗低、直流侧故障耐受能力强,保证换流器具有电压源换流器的灵活性,避免了大量IGBT串联,大幅降低了换流器的实现难度和成本。建立了三相35 kV的240子模块换流器的仿真模型。仿真结果表明:给出的方法可以控制晶闸管关断换向,换流器能够四象限稳定运行,并在此过程中保持桥臂电抗尖峰电压和子模块电压波动均处在合理水平。

基于动态偏置分配PD-PWM的变桥臂换流器子单元电容均压策略

变桥臂多电平变流拓扑(A2MC)是一类采用全桥子单元级联结构和IGBT串联型导向开关结构相结合的新型多电平变流器拓扑。针对其全桥子单元级联结构电容电压均衡的问题,提出了一种新型简单有效的PD-PWM桥臂调制方法。与传统的调制策略相比,该调制方法更容易实现,具备更好的动态特性,并且大幅降低计算时间,该调制策略在各类全桥子单元级联结构中具备强可移植性。仿真和实验结果验证了这种新型调制策略的简单性和有效性。

基于三次谐波电流注入的AAMC电容电压均衡策略

介绍了新型桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的拓扑结构和基本原理。该拓扑包括两个关键部分,即由绝缘栅双极型晶体管串联组成的导通开关和全桥子模块级联而成的整形电路。拓扑结构具有模块数量少、无环流、可处理直流故障等优点,但电容电压平衡是其亟待解决的难点之一。为解决该问题,提出了采用三次谐波电流注入以实现电容电压均衡的具体策略。具体实现过程分为两步:首先,通过换流变压器阀侧中性点和直流侧分裂电容构成能量回馈通路,然后设计了开环控制器控制三次谐波电流大小来保证整形电路总体能量变化均衡;其次,利用改进载波移相调制方法,对整形电路内部子模块进行能量再分配,该方法根据调制波与参考波比较得到需要投入模块的数量,并基于电流和模块电压监测结果触发相应的子模块。在PSCAD/EMTDC平台上建立了每桥臂10个子模块的AAMC模型,仿真结果验证本文所提电容电压均衡策略的有效性。

桥臂轮流导通换流器谐波特性

分析了桥臂轮流导通换流器(AAMC)的交流谐波特性和直流谐波特性,并提出了谐波控制的方法。子模块电容电压的波动导致换流器输出交流电压、电流包含高次谐波,通过采用带有三角形绕组的换流变压器,AAMC输出的交流电压、电流将只含有6k±1次的谐波,其中最低次为5次谐波,更高次谐波将显著降低,通过优化选择子模块电容和换流电抗器可以将谐波控制在相关标准的范围内。采用提出的将2个交流侧电压相位相差30°的AAMC阀组在直流侧进行串联的方案,直流侧电压、电流将只含有12k次谐波,谐波幅值将只有非串联方案的1/4,直流侧平波电抗器的取值降低为非串联方案的1/8。PSCAD/EMTDC仿真验证了谐波特性分析和谐波抑制措施的有效性。

基于换流角的桥臂交替导通多电平换流器电容电压控制

桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的桥臂由多个全桥子模块和带有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联,通过上下桥臂轮流导通来输出多电平的正弦波。如何维持AAMC子模块电容电压稳定是AAMC研究的难点。从桥臂能量平衡的概念出发,建立了在特定角度进行上下桥臂换流实现桥臂子模块电容电压控制的能量平衡方程,提出了换流角的计算方法。通过桥臂最大导通电压的研究,提出了两个换流角的解与无功功率的互补特性。依据无功方向优化选择换流角,有效降低了桥臂最大导通电压,减少了桥臂所需子模块的数量。通过换流角与电容电压耦合机理研究,提出了局部线性化的电容电压一阶模型,以此为基础提出了换流角前馈与比例—积分(PI)控制相结合的电容电压控制策略,既提高了控制响应的快速性,又保证了电容电压的稳定性。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了基于换流角的子模块电容电压控制方法的有效性。

具有故障穿越能力的T型桥臂交替多电平换流器及其调制策略

针对常规模块化多电平换流器(MMC)难以兼顾直流故障穿越能力与系统经济性的问题,提出一种T型桥臂交替多电平换流器(T-AAMC)及其调制策略,其直流桥臂采用半桥子模块并配合桥臂移相的新型调制策略,有效降低换流器建造成本与运行损耗,同时由全桥子模块串联组成的交流桥臂实现了直流故障穿越。首先,介绍了T-AAMC的拓扑结构,再基于各桥臂能量平衡条件,明确T-AAMC的桥臂移相调制策略,进而分析了T-AAMC的运行参数与硬件配置;同时,设计闭环控制系统,实现交直流桥臂能量的动态平衡;然后,将T-AAMC与现有的MMC进行了对比,相比于混合型MMC,T-AAMC在子模块数量、功率器件数量、电容取值上均实现了削减;最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真平台,验证了拓扑、调制与控制设计的有效性。所提T-AAMC在正常工况下能够实现宽范围、高效率的能量转换,同时具有直流故障穿越能力,可保障系统持续可靠运行。

具有直流故障穿越能力的模块化多电平换流拓扑推演与对比

直流故障具有影响范围广、故障电流大的特征,已成为制约直流系统发展的重要因素之一。模块化多电平换流器可通过配置双极性子模块实现直流故障穿越,但相比于基于半桥子模块的拓扑,其建造成本与运行损耗均大幅增加。为寻求兼顾硬件成本、运行效率与直流故障穿越能力的模块化多电平换流拓扑,首先通过拓扑抽象定义与模块配置约束,遍历并推导出4大类共13种模块化多电平换流拓扑;进而优选出T型桥臂交替多电平换流器,并提出桥臂移相导通调制,实现其高效功率变换与直流故障穿越的兼顾;最后,计及硬件成本、运行损耗、可靠性与可实现性等维度,对各类具有直流故障穿越能力的拓扑进行了系统性对比,为具有故障穿越能力需求的交直流变换场景提供模块化多电平换流拓扑的选择依据。

桥臂交替导通换流器的模块最优冗余配置方法

桥臂交替导通换流器是混合多电平换流器的一种,在高电压大容量架空线直流输电领域具有广泛的应用前景。文中首先兼顾换流器正常运行和直流故障穿越能力,分析桥臂交替导通换流器整形电路和导通开关的模块初始数目。其次,根据器件承受应力和开关频率,结合器件实际结构,分析了桥臂交替导通换流器中整形电路和导通开关的重要器件的可靠性,以计算其整形电路和导通开关的模块可靠性。在此基础上,考虑换流器的可靠性和经济性,提出桥臂交替导通换流器中整形电路和导通开关中模块的冗余配置方法,筛选出最优冗余配置方案,并引入具体算例验证了所提出的冗余配置方法的有效性。

基于重叠电流法的AAMC电容电压均衡策略

介绍了桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的拓扑结构及其工作原理。相比于传统MMC而言,具有模块数更少,没有环流和能够直流闭锁等优点,同时没有增加开关损耗,故具有良好的发展前景。但AAMC在处理电容电压均衡的问题上相比MMC而言更为困难。采用重叠电流的方法,通过配置桥臂电抗器,改变桥臂导通时间并加以额外的控制策略,最后实现电容电压的均衡。在PSCAD/EMTDC平台上建立了每个桥臂14个模块的AAMC拓扑模型,通过仿真验证了重叠电流法的有效性。