基于全桥型MMC的开关序列切换方法及IGBT开路故障诊断策略

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MMC的开关序列(switching sequence,SS)切换方法,通过增加一种子模块(submodule,SM)切除状态,能在不额外增加开关损耗的基础上,使所有类型IGBT开路故障均能够体现故障特性。进一步,分析了所提SS切换方法下的故障特点,并提出了IGBT开路故障诊断策略。所提策略通过判断SS计数是否超出阈值对故障进行检测,并定位故障SM,之后基于SS计数的正负或电容电压变化值进一步辨别故障类型。所提故障诊断策略能够准确检测出IGBT故障,定位出发生IGBT开路故障的SM,并辨别其故障类型,有利于主动运维。此外,所提策略无需额外硬件,并可在一个工频周期(20 ms)内完成对所有故障的准确诊断。最后通过硬件在环平台验证了所提SS切换方法及IGBT开路故障诊断策略的有效性。

适用于少子模块混合型MMC直流故障穿越的均压调制策略

针对混合型模块化多电平换流器(HMMC)在中低压场景子模块个数受限以及直流故障穿越期间的电容电压平衡问题,提出适用于少子模块HMMC直流故障穿越的调制技术以及直流故障穿越期间的电容电压平衡控制方法。从虚拟半桥子模块角度对全桥子模块拓扑进行解耦,统一HMMC的内部拓扑。基于虚拟调制改进载波移相脉宽调制方法,提出适用于HMMC多工况运行模式切换的混合调制技术。进一步考虑直流故障穿越期间的子模块电容电压平衡需求,基于优化子模块充、放电能量分布的思想,重构脉冲映射关系,提出分层脉冲自适应平衡控制方法。仿真结果表明,所提策略实现了少子模块HMMC直流故障穿越,并有效保障了直流故障穿越过程中子模块的动态电容电压平衡。

基于H-MMC的闭环预充电控制策略研究

六边形模块化多电平变流器(hexagonal modular multilevel converter,H-MMC)作为一种直接AC/AC变流器,在中压大功率电机驱动领域具有广阔的应用前景。然而,由于H-MMC子模块众多,如何将子模块电容充电至其额定值成为亟待解决的关键问题。通过对H-MMC拓扑结构特点和充电回路进行研究,提出了一种闭环预充电控制策略。根据设定的充电功率计算电网电流参考值,基于H-MMC数学模型推导出桥臂电流参考值。采用准PR控制对桥臂电流进行跟踪以实现H-MMC的恒流充电。均压控制保证子模块电容电压的一致性。基于Matlab/Simulink搭建的预充电对比仿真结果表明所提策略具有充电时间可控、无冲击电流、一致性好的特点。最后,通过H-MMC小型样机验证了所提闭环预充电控制策略的可行性。

基于子模块桥臂能量平衡的线间直流潮流控制器

随着直流电网技术发展,直流电网的潮流控制需求逐渐突出。在总结线间直流潮流调控原理的基础上,文中提出一种基于子模块桥臂能量平衡原理的线间直流潮流控制器,所提拓扑无须引入环流通路和交流滤波电路,可减少投资成本,避免交流环流的效率问题。首先,讨论并分析了线间直流潮流控制器的拓扑原理。然后,介绍了基于子模块桥臂能量平衡的拓扑结构和工作原理,并研究了参数设计方法;设计了电流、电压运行波形,并给出了所提拓扑的控制方法;同时,将所提拓扑与环流能量平衡型及电容耦合型拓扑进行了器件电流应力、数量和导通损耗的对比。最后,通过四端环形直流电网仿真验证了所提线间直流潮流控制器的功能。

LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统故障穿越控制策略

送端采用电网换相换流器(LCC)、受端采用全半桥子模块混合型模块化多电平变流器(FHMMC)的LCC-FHMMC混合直流输电系统,当受端交流系统发生故障时,受端交流电压跌落,受端功率传输受阻,盈余的功率导致子模块电容过电压,甚至可能造成设备的严重损坏。为此,提出了一种基于FHMMC直流电压降压运行的受端交流系统故障穿越控制策略,使其直流电压始终低于逆变侧交流母线的电压有效值。同时,整流侧LCC保持常规的定直流电流控制,保证逆变侧的直流电流在额定值附近运行,从而实现了进入直流系统的有功功率与逆变器向受端交流系统输出的有功功率之间的平衡。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上对LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统发生的对称故障和不对称故障分别进行了仿真分析,仿真结果验证了所提控制策略能够快速有效地穿越受端交流系统故障,并抑制子模块电容过电压。

基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器

基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电技术已成为大规模、远距离风电场并网的理想解决方案。在风电渗透率较高时,风电场经MMC-HVDC并网系统呈现低惯量特性,增加储能系统并辅以适当的控制策略是提高系统惯量的方法。文中提出了一种基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器类全桥子模块拓扑,研究了该拓扑的调制和控制策略,并通过类全桥子模块和半桥子模块的混合,降低系统的成本和损耗。与单级式半桥子模块拓扑相比,所提拓扑对电池电压的要求显著降低,可以平滑电池电流;与两级式半桥子模块相比,所提拓扑具有直流故障阻断能力。最后,仿真和实验结果验证了所提拓扑和调制及控制策略的有效性。

基于半桥子模块的混合式直流耗能装置正弦调制补偿策略

混合式直流耗能装置是用于远海风电经柔性直流送出系统的关键故障穿越设备。为了解决系统盈余功率较大时耗能阀正弦调制电压出现负值,进而导致半桥子模块不再适用的问题,提出了一种耗能阀正弦调制电压的交直流分量补偿策略,在保证调制电压非负性的前提下,通过增大耗能支路电流反向时的子模块电容对外放电功率来弥补子模块电容电压反向放电过程的缺失,通过延长单位周期内耗能电阻消耗最大功率时长来保证其峰值功率受限时平均功率仍能与系统盈余功率相当。分别基于盈余功率模拟系统和海上风电经柔性直流送出系统开展了仿真验证,结果表明正弦调制电压的交直流分量补偿策略可有效限制混合式直流耗能装置的功率器件数量,使基于半桥子模块的混合式直流耗能装置实现全系列盈余功率工况下的功率平衡控制,保证柔性直流系统在受端交流故障下的平稳穿越。

混合型MMC柔直系统新型预充电策略

半桥子模块(HBSM)和全桥子模块(FBSM)充电速度的差异会导致其在常规闭锁充电模式下出现分压不均衡问题。此研究详细分析了MMC充电策略下子模块的电压分配机理,提出一种利用最近电平逼近调制(NLM)系统进行MMC预充电的新型控制策略。通过NLM系统控制HBSM进行可控充电,直至其达到正常工作电压后,FBSM再进行可控充电,并释放多余能量,从而实现2类子模块电容电压的平衡,并充分抑制了冲击电流,降低了柔直系统启动失败的风险。在PSCAD EMTDC仿真环境中对此新型预充电策略进行仿真,验证了其有效性。

采用不同子模块的MMC-HVDC阀损耗通用计算方法

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)提出了一种阀损耗通用计算方法,可统一分析现有子模块结构:半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块。首先基于系统运行参数和调制控制策略解析出各子模块元件的电流、电压时域变化波形,然后利用厂商提供的特性曲线对半导体器件特性参数进行拟合,最后结合器件电流、电压波形和开断次数计算其损耗和结温。所提方法能够计及优化电容电压附加控制,且便于编程实现。基于所提方法开发了MMC-HVDC阀损耗通用分析程序,可快速计算各种工况下的换流器功率损耗分布和器件结温。通过算例计算验证了所提方法的有效性。算例结果表明:3种典型MMC拓扑中H-MMC损耗最少,C-MMC次之,F-MMC最差;环流抑制后个别运行工况下换流器损耗特性可能恶化;降低器件开关频率和提高电压调制比均可降低损耗;当器件开关频率低于某特定值(本算例为500 Hz)后,器件的通态损耗成为主导分量。

张北柔性直流电网故障电流特性及抑制方法研究

张北柔性直流电网示范工程为确保换流阀在直流故障情况下可靠穿越,在直流线路配置150m H电抗器、中性线配置300m H电抗器,电抗器限制故障电流发展速度的同时也降低了故障电流衰减速度,导致极端故障情况下换流阀保护晶闸管的结温超出设备耐受水平。该文研究张北工程故障电流衰减机理,针对设备耐受能力和故障耐受要求不匹配问题,提出3种解决方案,并通过PSCAD/EMTDC仿真对3种方案的技术性能进行分析验证,通过ANYSYS仿真软件对不同技术方案换流阀晶闸管结温进行校核,验证技术方案的可行性。最后综合对比不同技术方案的优缺点,为张北工程建设提供技术支撑。

并联全桥子模块MMC的自均压运行特性研究

模块化多电平换流器高压直流输电（modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC）面临半桥子模块拓扑不能清除直流故障电流和子模块电容电压排序计算量过大、对传感器实时性要求高等问题。有文献针对低压领域MMC应用中存在的负荷电流过大、电容电压监测困难等问题,提出并联全桥子模块（paralleled full bridge sub-module,P-FBSM）拓扑,对MMC-HVDC具有借鉴意义。该文从P-FBSM结构出发,分析其开关状态集,进而推导以开关函数表示的并联全桥MMC桥臂模型;基于最近电平逼近调制,设计P-FBSM动态分配均压控制策略,实现无需子模块电容电压的自均压控制,有效减小控制器计算量、降低传感器实时性要求。最后,在PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果表明,采用所提均压控制策略可同时实现子模块电容电压的自均衡和直流故障电流快速清除。

FBMMC直流故障穿越机理及故障清除策略

针对模块化多电平换流器型直流输电(MMC-HVDC)直流故障的快速清除,对全桥型模块化多电平换流器(FBMMC)直流故障机理及故障清除控制策略进行了研究。研究了全桥子模块的导通模式与运行特性;分析了闭锁前后直流侧双极短路故障机理、故障电流阻断原理和故障清除控制策略。在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型,对全桥子模块的运行特性、直流故障机理、故障清除及快速恢复策略进行了仿真分析,结果验证了所提策略在直流故障穿越方面的有效性。

全桥型模块化多电平换流器环流特性分析与自抑制方法

在基于电压源型换流器的柔性高压直流输电(VSC-HVDC)场合,传统的半桥子模块型模块化多电平变流器(MMC)因不具备直流短路故障自清除能力,限制了其在架空线VSC-HVDC领域的应用。全桥子模块型MMC因具备直流短路故障穿越能力,得到了较为广泛的研究。本文首先分析了桥臂参考电压存在负电压的全桥型MMC的基本运行原理,在此基础上,推导了全桥型MMC二倍频环流的解析表达式,并提出了一种环流自抑制的全桥型MMC的参数设计方法。最后,通过仿真和实验验证了本文理论分析的正确性和所提出的设计方法的有效性。

一种新型模块化多电平换流器

柔性直流输电技术应用于架空线路场合面临的关键问题是如何实现直流线路故障的快速隔离,一般认为采用全桥拓扑的换流器是较好的方案。文中提出一种基于类全桥子模块的新型模块化多电平换流器(SFBSM-MMC),与采用全桥的换流器相比,该新型换流器在同样实现直流线路故障快速隔离的同时,还兼具了经济性。介绍了SFBSM-MMC的拓扑结构、工作模式和直流故障隔离原理,并对其基本控制策略、预充电策略和直流线路故障隔离策略进行了设计,最后通过仿真验证了预充电策略和直流线路故障隔离策略的可行性。仿真结果表明,SFBSM-MMC在快速隔离直流线路故障方面具有优良的性能,适合基于架空线路的柔性直流输电工程应用。

桥臂交替导通多电平换流器电容电压平衡控制

重点研究了桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的电容电压平衡控制。首先阐述了AAMC的运行特性和工作原理;其次基于子模块充放电的基本原则,提出了适用于AAMC的改进最近电平调制策略,根据桥臂电流方向和子模块电容排序结果确定子模块的投切状态;并通过引入最大电压波动系数优化选择子模块投切时机,降低了开关频率并减少了损耗。在PSCAD/EMTDC中搭建了每桥臂10个子模块的模型,时域仿真结果表明,所提出的平衡控制策略能够满足电容电压均衡。

基于MMC的柔性直流输电直流侧故障自清除方法的分析及应用

柔性直流输电系统中,采用模块化多电平换流器(MMC),与传统直流输电技术相比较优势在于:无需无功补偿、没有换相失败、谐波水平低,能同时独立调节有功功率和无功功率。但是在直流侧发生故障时,由于目前还没有大容量高电压高速直流断路器,清除故障的手段是跳开换流站交流侧开关,使故障清除和直流系统再恢复的时间比较长,影响柔性直流输电的可用率。针对上述问题,通过全桥子模块、钳位双子模块、交叉型子模块的MMC故障自清除技术,缩短直流输电再恢复的时间,尽可能保证直流电网的稳定运行。

混合型MMC全桥子模块的配置比例优化设计

由半桥子模块(half-bridge submodule,HBSM)和全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)组成的混合型模块化多电平换流器因具备无闭锁直流故障穿越能力,成为了柔性直流输电领域的研究热点。首先,对混合型MMC的拓扑结构进行分析,并介绍无闭锁故障穿越的机理。为降低FBSM的配置比例,减少换流站投资成本,在桥臂电压调制波中注入三倍频电压的条件下,对直流侧短路故障工况、降压运行工况进行了FBSM配置比例优化设计。计算表明,桥臂调制波中未注入三倍频电压时,FBSM配置比例需达到50%,注入三倍频电压后,FBSM配置比例达到43.3%即可实现系统的稳定运行。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建401电平双端混合型MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和三倍频电压注入优化策略的有效性。

MMC中全桥子模块损耗分布优化的调制方法研究

为了提高全桥子模块的运行可靠性,该文研究全桥子模块的损耗分布,并提出一种损耗分布优化的控制方法。首先,根据全桥子模块的输出特性及其器件的损耗特征推导出子模块损耗分布的解析表达式,由此揭示出功率输出对损耗的影响。其次,根据损耗分布表达式,分析全桥子模块冗余开关状态对损耗分布的影响,确定可实现损耗均衡的冗余开关状态投切原则。最后,为了实现上述投切原则,引入轮换及结温反馈两种调制方法对开关状态投切进行控制,并通过仿真验证损耗分布分析的正确性及所提方法的有效性。

用于城轨直流牵引系统的混合型MMC全桥子模块比例设计方法

城市轨道交通直流牵引供电系统是一个低电压大电流系统,受制于开关器件的通流能力,两电平变流器的单台容量难以满足需求。由全桥子模块和半桥子模块组成的混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)可用于调制比大于1的系统中,利用全桥子模块的负电平输出能力,可以提高交流电压或降低直流电压。针对可用于城市轨道交通直流牵引供电系统的混合型MMC,提出一种全桥子模块比例的设计方法,满足高调制比稳态运行的需求和直流故障清除能力的需求,选取了常见的1500 V地铁系统作为算例,选取3组参数,在PSCAD软件中搭建仿真模型,验证了设计方法的正确性。

六角形模块化多电平AC/AC换流器损耗特性分析计算

详细分析换流器的损耗特性对于系统设计、冷却装置选型都有着重要意义。文中基于全桥子模块的工作特性,对六角形模块化多电平AC/AC换流器(Hexverter)的子模块损耗分布及换流器的总损耗进行分析计算。首先,简要介绍和仿真验证了Hexverter的工作原理。然后,通过提取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的数据进行拟合,建立IGBT及其续流二极管的通态特性和开关特性参数,进而对子模块工况进行详细分析,根据全桥子模块的输出特性推导出各器件导通范围及导通时间的解析表达式,从而得到通态损耗和开关损耗的理论计算表达式。最后,通过10 kV系统算例对换流器损耗进行了定量分析,对支路内不同子模块的损耗分布和不同工况下Hexverter的损耗进行计算,结果表明全桥子模块内部的损耗分布呈现对称性外,同一支路内各子模块损耗也不尽相同,特别是在不同容量及功率因数的工况下,子模块损耗分布及换流器总损耗存在明显差异。