Recent Developments of Modulation and Control for High-Power Current-Source-Converters Fed Electric Machine Systems

The pulse-width-modulated(PWM)current-source converters(CSCs)fed electric machine systems can be considered as a type of high reliability energy conversion systems,since they work with the long-life DC-link inductor and offer high fault-tolerant capability for short-circuit faults.Besides,they provide motor friendly waveforms and four-quadrant operation ability.Therefore,they are suitable for high-power applications of fans,pumps,compressors and wind power generation.The purpose of this paper is to comprehensively review recent developments of key technologies on modulation and control of high-power(HP)PWM-CSC fed electric machines systems,including reduction of low-order current harmonics,suppression of inductor–capacitor(LC)resonance,mitigation of common-mode voltage(CMV)and control of modular PWM-CSC fed systems.In particular,recent work on the overlapping effects during commutation,LC resonance suppression under fault-tolerant operation and collaboration of modular PMW-CSCs are described.Both theoretical analysis and some results in simulations and experiments are presented.Finally,a brief discussion regarding the future trend of the HP CSC fed electric machines systems is presented.

非隔离单相半桥UPQC直流纹波分析及其影响抑制

非隔离单相半桥统一电能质量调节器(UPQC)两侧变换器的脉动功率差将在直流电容及分电容上产生复杂的多倍频电压纹波,各次电压纹波会对串联侧变换器的补偿电压有不同的影响,降低串联侧变换器的补偿效果。为了抑制直流电压纹波影响,利用等效电容电流模型计算直流电容电压表达式,分析直流纹波及非线性负载对补偿电压的影响路径,并仿真验证其正确性。针对分电容电压纹波和非线性负载对电压补偿效果的影响,提出一种抑制多倍频纹波影响的补偿电压特定次谐波控制策略。最后,基于SiC器件建立了非隔离单相半桥UPQC实验平台进行实验验证,实验结果表明在非线性工况下,所提控制策略将补偿电压THD从12.2%降低至2.4%,相比于传统控制可以减少约70%的直流电容需求。

变母线电压的LLC高压电容充电电源设计

提出了一种两级式可变母线电压的高压电容充电电源技术方案,该拓扑在半桥LLC谐振电路的基础上增加了一级图腾柱无桥功率因数校正(PFC)电路,通过改变母线电压来解决传统LLC谐振电源在输出更高电压时,工作频率变化范围过大带来的充电效率下滑的问题。由于图腾柱电路本身具备功率因数校正的功能,该电源设计还拥有能够直接从电网取电而不影响电网电能质量的优势。首先介绍了本电源设计中两部分的电路拓扑和工作原理,采用等效电阻法分析了电容负载下的电源输出特性。针对前级图腾柱电路设计了双环控制器以实现对母线电压和功率因数的控制,针对后级LLC电路提出了比例积分(PI)加低通滤波的恒流控制器以降低高频噪声带来的不利影响。最后通过模型构建与仿真分析,研究了高压电容充电电源3000 V/1 A时的充电特性,验证了本电源技术方案、设计和控制策略的可行性。

一种基于非线性电流跟踪算法的STATCOM相间电容电压平衡控制策略

针对基于级联H桥拓扑结构的静止同步补偿器在传统控制框架下所产生的相间电容电压不平衡问题,采用一种新型混合调制方法并提出了一种全新的非线性分相电流控制策略。首先,基于六模块十三电平级联H桥拓扑结构,阐明新型混合调制的调制原理,并阐述适用于新型混合调制的相内电容电压均衡策略。其次,推导了静止同步补偿器在两相同步旋转坐标系下的控制模型,并分析指出采用dq解耦控制存在的相间电容电压不平衡问题。针对相间电容电压不平衡问题,提出基于三相静止坐标系下的电流分相控制策略,通过Lyapunov稳定性判据第二法推导并设计实现对交流指令电流无差跟踪的非线性电流控制器。最后,在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型。仿真结果表明,所提控制策略在不同条件下均能保持相间电容电压一致和稳定,且具有良好的动态响应特性。

柔性互联装备中零序电压注入的相间功率均衡控制

级联全桥加双有源桥结构的多端柔性互联装备可连接交流电网与多个直流电网,直流电网瞬时功率差异、子模块故障等问题均会导致并网电流不均衡与直流电容电压不均分。针对三相星型互联结构,采用注入零序电压的控制策略均衡相间功率,推导出不同功率需求下零序电压分量具体表达式,并量化分析注入零序电压的限制范围。最后搭建仿真实验平台,验证了该方法的有效性,仿真结果表明:在现有控制架构的基础上加入零序电压注入环节能够调配相间的功率以保证并网电流均衡,将不平衡度从6%降为1%,同时维持直流电容电压均分。

风电机组的自同步电压源控制研究综述

电力系统正朝着高比例新能源和高比例电力电子装置的“双高”特征方向发展,电压源风电机组具备建立电压、自主快速支撑电网电压和频率的能力,有助于“双高”电力系统的安全稳定运行,为“双高”电力系统的构建提供了一种可能的电源侧解决方案。文章依照电压源控制方法发展的脉络,首先阐述了并网变换器的电压源控制方法,进而针对风电变流器的双变换器特征,总结了电压源控制在两种主流风电机组中的应用,包括稳态频率响应和电网故障下的限流控制及暂态电压支撑等,给出了风电机组自同步电压源技术的现状。最后,对电压源风电机组大规模应用面临的技术挑战进行了展望,指出了技术攻关的方向。

有源钳位四电平能馈变流器预测电流控制

地铁能馈变流器能回收车辆制动能量,实现节能减排。多电平变流器可以降低有源开关的断态电压上升率,有效保护电路元件,提高输出电流的波形质量,一直是中大功率领域研究的热点。模型预测控制算法是应用于多电平变流器的一种控制算法,具有运算简单、速度快和适用性广等优点,在变流器控制领域有广阔的应用前景。目前,能馈变流器的拓扑主要为二电平和三电平,对四电平拓扑的应用关注较少。有源钳位四电平拓扑采用有源器件的T型连接代替钳位二极管,减少了元件数量,降低了系统损耗。在四电平能馈变流器的控制算法方面,载波调制算法仍被广泛使用,模型预测控制算法未能得到应用。在此背景下,提出一种适用于有源钳位四电平拓扑的预测电流控制算法,建立四电平拓扑的数学模型,分析开关状态对直流母线电容电压的影响,建立电流和电容电压的预测模型。通过模型预测控制算法中的代价函数,实现输出电流和电容电压的多目标控制。利用并网仿真模型对所提算法进行验证,在预测控制作用下可以顺利并网,并输出高质量的电流。进行阻感负载实验,能有效跟踪给定电流,维持电容电压稳定,对于负载突变也有较强的鲁棒性。仿真和实验均证明了拓扑模型和控制算法的有效性,展现了其在地铁能馈领域应用的可行性。

新型串联混合型模块化多电平变换器及其控制策略研究

近年来,模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)因具有模块化的结构特点,在柔性直流输电领域受到广泛关注。随着电压等级的提升,传统MMC拓扑的子模块数成倍增加,装置成本及体积大幅提高。为实现MMC的轻型化设计目标,提出一种串联混合型MMC(series hybridMMC,SHMMC)拓扑,对其工作原理进行介绍,并推导其数学模型。同时,针对相单元内部所存在的释能过电流问题展开讨论,设计适用于SHMMC拓扑的控制策略。MATLAB/Simulink仿真及样机实验研究结果表明该拓扑正确可行,且具有较好的输出特性及内部特性。在直流侧电压相同的情况下,所提SHMMC拓扑相较于传统MMC拓扑子模块数更少,在保障良好输出特性的前提下损耗更低,且无需设置桥臂电抗器,有利于降低装置体积,有效实现了轻型化设计目标。

单级无电解电容LED驱动电路及控制策略研究

为了消除电解电容对LED驱动电源使用寿命的影响,提出一种基于反激结构的单级无电解电容LED驱动电路拓扑及控制策略。该电路拓扑是在反激变换器的输入端串接辅助储能电路,通过控制辅助储能电容的充放电,实现瞬时输入输出功率的平衡,从而抑制输出电流的低频纹波。详细介绍了该电路拓扑的工作原理;结合输出电流低频纹波产生机理,分析了辅助储能电容充放电的控制规律,给出具体的控制实现方法,并对电路关键参数进行设计,最后研制出一台30 W数字控制的单级无电解电容LED驱动电源样机。实验结果表明,所提电路方案辅助储能电容和输出滤波电容均可降至6.8μF,输出电流纹波可降至16%。通过使用薄膜电容代替传统的电解电容,提高了LED驱动电源的使用寿命。

电动汽车电机控制器母线电容纹波电流研究

在电动汽车电机控制器中,由于电机负载电流的变化和功率器件高频开关的影响,在直流母线上会产生纹波电流,纹波电流通过直流母线电容,会导致母线电容发热,纹波电流过大会引起电容发热严重,直接影响电容使用寿命。本文通过对电机控制器建立Matlab/Simulink仿真模型,分析了母线电容上纹波电流波形特征,同时分析了纹波电流影响因素,最后介绍了母线电容关键电气参数,结合纹波电流影响因素,对母线电容选型匹配提供参考。

基于混合逆变器的开绕组永磁同步电机驱动系统简化模型预测控制

为了解决混合逆变器开绕组永磁同步电机(OW-PMSM)系统传统控制策略将电源与电容电压之比控制为某一固定比值的问题,提出一种简化模型预测控制(MPC)策略。根据电机运行需求动态调节两侧逆变器直流母线的电压比值,从而提升电机在不同运行工况下的性能,并拓展OW-PMSM的使用场景。但在电容侧直流母线电压不固定的情况下,传统MPC算法造成的计算负担较大,因而提出简化MPC策略。对两组逆变器精简后的7种待选矢量进行轮流遍历计算,选取最优电压矢量输出,能够在减小计算量、降低开关频率的同时,最大限度地提升d-q轴电流及电容电压控制精度。最后,实验验证了所提出控制策略在电流控制、电容电压控制以及开关频率降低方面均具备有效性。

MMC子模块电容电压波动及谐波研究

[目的]柔性直流的快速发展为MMC(Modular Multi-Level Converter,模块化多电平变流器)拓扑确定了实践支撑。文章以半桥MMC换流器为例,研究MMC稳态电容电压波动、谐波交互规律及桥臂开关函数的关系,以对MMC系统设计、控制策略给予理论支持。[方法]通过建立子模块电容电压、桥臂开关函数的解析表达式,得到MMC换流器上下桥臂能量波动及电容电压波动的数学近似表达式,进而研究了上下桥臂电流、交流阀侧、直流侧中各次谐波的分布规律及相间环流的正负序关系,基于谐波公式得到二次环流的估算方法;进一步,采用变量对照法研究了桥臂开关函数、子模块电容电压随阀侧功率因数、子模块电容大小的变化关系;最后基于实际工程参数搭建了详细的PSCAD/EMTDC模型,开展了理论解析与离线仿真的一致性对比。[结果]研究表明:MMC相间环流只含偶数次谐波,且其中6k+2次环流呈负序、6k+4次环流呈正序、6k次环流呈零序特性,同时稳态下MMC阀侧出口交流电压电流只含奇数次谐波,MMC直流侧电压电流只含偶数次谐波,且在功率因数角φ<0的某些范围内桥臂开关函数峰值会大于1,在低功率因数下子模块电容电压波动峰值大于高功率因数下的波动。[结论]可由此开展换流器电容容值的选型设计及暂稳态策略研究,并通过理论解析掌握MMC拓扑的运行本征特性。

模块化多电平变换器的电容电压卡尔曼滤波预测方法

为避免子模块电压互感器发生故障对直流配电网模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)安全可靠运行造成威胁,需为MMC配置备用测量装置。工程上通常为所有子模块配置备用电压互感器以保证高可靠测量,但使得硬件结构较为复杂。为此,文中提出一种适用于中高压MMC测量系统备用模式的电容电压卡尔曼滤波预测方法,并融合快速模型预测控制(fast model predictive control,FMPC)策略提升电能变换稳定性。首先,为各桥臂仅配置一个电流互感器,无需任何电压互感器,并构建卡尔曼滤波观测器,提出卡尔曼滤波预测方法;进而根据电容电压预测值建立FMPC目标优化函数,确定桥臂最优电平数和子模块投切情况,在保证MMC输出电流和环流跟踪性能及电容电压预测准确性的前提下,显著简化测量系统硬件结构。最后,搭建21电平仿真模型和三电平实验平台,通过多个算例和工况验证所提方法的可行性和实用性。

单相级联H桥整流器电压平衡控制策略

以无工频变压器牵引传动系统前端的单相级联H桥整流器(CHBR)为研究对象,构建了其数学模型,在电压电流双闭环控制策略的基础上,引入无锁相环技术,改进瞬态电流控制策略。实现了系统发生扰动时,网侧电流对电压相位频率的快速精确追踪。进一步地,对传统附加平衡电压控制策略加以改进,增加模糊控制技术,解决了CHBR在非理想电网或负载大范围投切载时,存在的直流侧各级电容电压不平衡、压差大等问题。最后,利用MATLAB/Simulink进行仿真,对所提策略在CHBR运行时的快速响应和抗干扰能力进行了验证。

MMC低桥臂电流峰值控制方法研究

在模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的传统环流控制策略中,通常将环流抑制为零以降低系统损耗,但合理注入环流能够给系统带来额外的收益。该文探索利用二倍频和四倍频环流注入来减小MMC桥臂电流峰值的方法,并提出两种环流注入策略:其一能够从最大程度上降低桥臂电流的峰值,但会增大子模块电容的容值;另一种策略则兼顾了桥臂电流峰值的降低与电容电压纹波的增加幅度。设计解耦的环流控制策略来提高环流注入的精确性,并从电流应力、功率处理能力及换流站损耗等方面对两种环流注入策略进行分析和比较,给出不同场景下的推荐方案。针对所提策略的仿真与硬件在环实验结果表明,所提策略可将运行在较高功率因数下的MMC桥臂电流峰值减小25%左右,利于其短时间过载运行。

基于模拟退火算法的模型预测控制策略

传统的模型预测控制(MPC)存在权重因子无法准确设计、开关状态循环预测以及响应速度慢的问题。提出了一种基于模拟退火(SA)算法的模型预测控制策略(SA-MPC),通过建立预测模型和构造目标函数,采用SA后台直接全局寻优,实现环流控制和SM电容电压均压控制。所提策略无需整定权重因子,无需循环试凑开关状态,提升了响应速度和精度,有效抑制了相间环流和降低了子模块电压波动幅度。通过搭建模块化多电平换流器(MMC)系统模型,仿真验证了所提策略的可行性与有效性。

无交流电容的构网型换流器电压电流比例控制及故障限流

通过引入电压电流比例关系,构建了适用于高压构网型换流器的无电容矢量电压控制,可与传统内环电流控制组成构网型换流器级联控制架构,保留正序电流限幅和负序电流抑制能力,防止换流器在电网故障时发生过流闭锁和损坏。与传统外环电压控制不同,该电压电流比例控制不依赖于交流侧并联容性滤波器的电气关系构建,适用于无交流电容的高压构网型换流器的外环电压控制。通过选取特定的交流电压频率指令值,构网型换流器可实现恒电压运行或虚拟同步机运行。时域仿真结果表明,所提高压构网型换流器控制在电网故障时可自动实现换流器的负序电流抑制和故障穿越功能,避免换流器过流闭锁及损坏,并在故障清除后恢复正常运行。

MMC-HVDC输电系统控制策略研究

模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电领域具有广阔的发展前景,对模块化多电平换流器输电系统控制策略进行研究,提出了一种MMC-HVDC系统模型预测控制策略,为了实现柔性直流系统多个不同目标的有效控制,建立了相应的目标函数,并求其最优解,提出的控制策略控制效果很好,计算量小,并且不需要考虑权重因子的影响,控制系统结果较简单。在仿真平台上建立了双端柔直系统仿真模型,验证了提出的控制策略的优越性能。

可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略

低频输电作为一种新型输电技术,在海上风电送出、新能源场站送出等多个场景具有良好的应用前景。但在不对称故障下,故障侧功率不对称将严重影响模块化多电平矩阵变换器(modularmultilevelmatrixconverter,M3C)的电容电压均衡,对低频输电系统安全稳定运行产生不利影响。为此,提出了一种可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略。首先,介绍M3C的系统结构及双αβ0数学模型,并分析不对称故障下电容电压不均衡的原因。然后,基于双αβ0数学模型针对输电线路不对称故障情况计算桥臂功率不均衡分量的表达式,通过M3C功率平衡关系引入电流补偿分量,消除桥臂功率的不均衡,并得到适用于不对称故障的环流控制目标,进而通过环流控制实现故障下M3C电容电压的均衡。最后,搭建基于M3C的低频输电系统仿真模型验证所提控制方案的可行性和有效性。