Modeling and Control of the Modular Multilevel Converter (MMC) based Solid State Transformer (SST) with Magnetic Integration

Solid state transformer(SST)can provide more advanced functionalities compared with conventional transformer,and has great potential in smart grid application.Recently,the SST with medium frequency(MF)isolation link and magnetic integration feature has been proposed,which can reduce the system volume and thus increase the power density.However,the magnetic integration also introduces strong coupling between the line frequency(LF)and MF variables,which poses a great challenge on modeling and control issues.This paper proposes a modeling and control method for an SST with magnetic integration and mixed-frequency modulation.A mathematical model based on dual d-q references is deduced,and then a cascaded control system is designed according to the model.Parameters of the controller for the variables at one frequency are properly designed to avoid disturbance from the variables at the other frequency.The simulation and experimental results show good decoupling effect and satisfactory dynamics performance of the proposed control system.

MMC结构的分布式光伏系统功率不平衡优化方案

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)由于其模块化结构,已成为大规模光伏(photovoltaic,PV)并网逆变器的研究热点。然而,在不同光照强度和温度下,PV组件之间发电功率不同,导致MMC内部出现桥臂、相间功率不均衡。因此,该文先分析MMC-PV系统在功率不均衡下的表现机理,后提出一种基于MMC结构的光储电能路由,其控制策略在满足交、直流端口功率需求的同时,实现桥臂间和相间的功率自均衡,提高PV利用率和系统稳定性。同时,受桥臂内子模块功率传输极限的影响,对PV和ESS的配置约束作详细分析,最后,通过仿真以及实验验证所提拓扑及控制策略的正确性和有效性。

一种增加辅助子模块的MMC改进混合调制控制策略

传统的最近电平逼近调制NLM(nearest level modulation)具有控制简单,开关频率低的显著优势,但在输出电平数较少时,采用NLM调制的模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)输出波形谐波畸变率较大。在传统三相六桥臂MMC拓扑的各桥臂中增加1个全桥结构的辅助子模块,控制该辅助子模块的电容电压为半桥子模块的一半。针对该MMC拓扑,提出了一种改进的混合调制策略,该混合调制策略可以实现半桥和辅助子模块的平衡控制。在降低MMC交流侧输出电流的谐波畸变率同时,还可以降低全桥子模块的开关频率和系统损耗。在Matlab/Simulink中搭建了详细的仿真模型,仿真结果验证了所提MMC拓扑和改进混合调制策略的有效性。

考虑异质器件混用与输出电平倍增的混合型MMC及其调控方法

首先,为提高模块化多电平换流器(MMC)输出波形质量、降低装置运行损耗,提出一种基于Si和SiC器件组合应用的混合型模块化多电平变换器(HMMC)拓扑结构。该拓扑每个桥臂包含N个Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的半桥子模块,每相交流侧串联一个直流侧电压为半桥子模块一半的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)全桥子模块,整体经济性较好。其次,提出一种面向输出电平数倍增的HMMC高、低频混合调制策略,并充分发挥SiC MOSFET开关损耗低的优势,在减小HMMC输出谐波的同时降低整体运行损耗。此外,分析混合调制策略下HMMC异质子模块直流侧能量的波动规律,提出一种高、低频模块直流侧电压稳定控制策略。最后,仿真和实验验证了所提HMMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将所提HMMC、基于单一器件MMC和现有HMMC在损耗和成本方面进行综合对比,证明了该方案在降低损耗和减小成本方面优势显著。

基于混合型MMC的柔性直流电网故障电流阻断控制策略

柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、输送和并网的有效手段。针对基于混合型MMC的直流故障电流阻断方案会引起功率传输中断的问题,本文提出了一种混合型MMC负压控制与超高速机械开关协调配合的故障电流阻断方法,该方法能够快速阻断故障电流并维持非故障线路的功率传输。通过分析故障电流组成及关键影响因素,确定了换流站的控制目标,基于全桥子模块的电压调节自由度,提出了利用混合型MMC输出负压主动吸收故障电流的控制策略,并设计了其与超高速机械开关的协调配合方案,实现故障的可靠隔离。最后,基于RTLAB实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,仿真结果表明,本文提出的方法可快速阻断直流故障电流,缩短直流电网功率恢复时间,提高系统安全稳定性。

基于MMC主动限流的VSC-HVDC双极短路故障控保协同策略

直流故障保护是柔性直流输电系统发展面临的主要挑战之一,利用模块化多电平换流器(MMC)的灵活控制实现限流已成为当前研究的热点。MMC的主动限流降低了故障电流变化率和故障电流幅值,易引起故障判断以及保护选择困难。文中以对称单极接线的柔性直流系统为研究对象,采用控保协同思想,将主动限流控制与故障识别相结合,提出了基于主动限流因子的故障区域识别与区分方法实现双极短路故障的区域识别与切除。首先,通过在MMC电流内环控制器中附加故障电流目标预设控制器,在故障发生后可快速跟踪故障电流的变化,自适应地调整MMC输出的直流电压将故障电流控制在预设目标参考值附近;其次,根据不同故障位置时故障电流目标预设控制器输出的限流因子快速确定故障区域。最后,在PSCAD/EMTDC中对四端柔性直流输电系统的不同故障场景进行了仿真分析,验证了所提控保协同策略的可行性和有效性。

MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流计算方法

为研究基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流侧短路电流的工程实用计算方法,基于金属性短路故障电流通用解析式,分析了MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障时换流站放电电流的相互抑制作用以及放电回路的耦合机理,并基于所推导的解析表达式提出了故障电流的解耦计算方法。基于PSCAD/EMTDC对MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障工况进行仿真分析,将仿真结果与解析计算值进行对比验证。搭建数字-物理混合仿真实验模型,在数字端和物理端分别设置短路故障,对比实验值与解析计算值。验证结果表明,所提故障电流计算方法能准确地表征MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流的演变趋势。

中压直流配电场景下混合型MMC过调制工况对运行稳定性的影响分析

混合型模块化多电平换流器(hybrid MMC)可通过过调制运行实现中压直流(MVDC)配电网的直流故障穿越.现有研究未充分分析过调制工况下混合型MMC的运行稳定性,无法满足中压直流配电网的运行需求.为此,本文通过与正常工况进行对比,分析了过调制工况对混合型MMC运行稳定性的影响.首先,在电气与控制部分统一的dq坐标系下,构建考虑直流调制比的混合型MMC小信号模型,并将其与详细电磁暂态(EMT)仿真结果对比,验证所建立模型的准确性;其次,对比正常及过调制工况下的根轨迹,进而从控制参数可行域的角度分析了过调制工况对系统运行稳定性的影响;然后,基于主导模态特征根的虚部计算系统失稳时的振荡频率,并将其与相同控制参数下电磁暂态仿真结果进行对比,验证上述稳定性分析结果的正确性;最后,基于参与因子法计算各状态变量对于主导模态的参与程度,从而揭示对系统稳定性影响较大的关键状态变量.理论分析及仿真结果表明,混合型MMC的内部模态会随着交流及直流电流控制器参数的增大而逐渐趋于不稳定;相较于正常工况,过调制工况下混合型MMC控制参数可行域扩大,小信号稳定性提高.

A Review of Modular Multilevel Converters

模块组合多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）具有高度模块化、易于扩展、输出电压波形好等特点，尤其适用于中高压大功率系统应用。首先介绍MMC的电路拓扑和工作原理，总结MMC的主要技术特点；然后分别回顾MMC在脉冲调制、直流电压控制、预充电、环流、谐波、数学模型、主电路参数设计、故障保护等关键问题的最新研究进展，以及其在电力传动、电能质量问题治理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在电力系统中有广泛的应用前景，是未来中高压大功率系统，尤其是高压输电技术的重要发展方向。

基于虚拟电容的构网型MMC快速平滑切换策略

为减小构网型模块化多电平换流器黑启动完成后的并网瞬间冲击,提出一种综合考虑并网点电压的幅值、频率及相位的最优并网控制策略。通过实时检测并网两端的电压幅值、频率及相位,达到阈值后开始并网。同时,针对该策略同步时间过长的问题,提出一种基于虚拟电容的构网型模块化多电平换流器快速并网切换控制策略,在控制环节引入虚拟电容快速调节构网型模块化多电平换流器的电压相位,节省储能型模块化多电平换流器的备用容量。最后,通过搭建硬件在环测试平台验证最优并网控制和快速并网切换控制策略的有效性和正确性。

MMC器件损耗分布与电容电压纹波综合优化方法

逆变工况下,半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)(简称T_(2)管)损耗占比较大,减小其损耗有利于提升设备运行可靠性。同时,抑制电容电压纹波有利于减小电容需求及提高功率密度。然而,现有优化控制策略未关注损耗分布优化及电容电压纹波间的矛盾,难以兼顾设备运行可靠性及功率密度。为此,文中提出兼顾减小T_(2)管损耗及抑制电容电压纹波的综合优化方法。首先,通过分析电荷量对器件损耗及电容电压纹波的影响路径,阐述减小T_(2)管的通态损耗与抑制电容电压纹波间的内在矛盾。接着,通过引入罚函数,建立计及T_(2)管损耗及电容电压纹波的综合目标函数。然后,以主动旁路策略为例,通过分析二倍频环流与三次谐波电压注入对T_(2)管损耗和电容电压纹波的影响规律,提出基于二倍频环流及三次谐波电压注入的综合优化方法。最后,在MATLAB/Simulink及PLECS中搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明:该综合优化方法兼顾了T_(2)管损耗与电容电压纹波优化,一定程度上增加了设备可靠性与设备的功率密度。

高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是制约高压大容量换流器可靠运行的关键因素之一。为此,文中提出一种混合型MMC器件损耗分布优化方法。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性。其次,分析电容电压对器件损耗的影响规律,明确降低半桥子模块电容电压可减少其下部IGBT的损耗。然后,在不影响换流器外输出特性的前提下,提出计及三次谐波电压注入及桥臂输出电压指令值差异化分配的控制策略,通过最大程度降低半桥子模块电容电压,减少其下部IGBT损耗。最后,开展MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验,仿真及实验结果验证了所提方法可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,有利于提高换流器的整体可靠性。

直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统稳定性分析及振荡抑制

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电HVDC(high voltage direct current transmission)因具有无源网络支撑等优势而被广泛应用于大容量新能源外送消纳。受电力电子设备交互作用等因素影响,送端系统易发生振荡失稳现象。首先,建立了直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统的小扰动线性化模型,分析了风场有功输出对系统稳定性的影响。然后,建立了MMC及风机并网变流器交流侧dq阻抗模型,从阻抗角度揭示了送端系统振荡失稳机理。进一步,提出了基于MMC交流电压控制外环q轴附加阻尼的振荡抑制策略,可满足系统满功率范围内的运行稳定性要求。最后,基于全比例模型的仿真结果验证了所提振荡抑制策略的有效性。

A Novel Square-wave Pulse Rotation Modulation Strategy for Modular Multilevel Converters

悬浮直流电容电压的均衡问题是模块组合多电平变换器（modular multilevel converter,MMC）的关键问题之一。提出一种可实现MMC直流电容电压平衡的方波脉冲循环调制（square-wave pulse rotation modulation,SWPRM）策略,在保证合成的阶梯波输出波形不变的前提下,根据MMC的拓扑结构和工作原理,对传统方波脉冲列进行脉冲优化,并按照一定的次序和切换周期进行循环和判断反相调整,获得的循环方波脉冲列作为最终驱动脉冲用于实现对MMC的控制。实验结果表明,采用提出的方波脉冲循环调制策略无需任何电容电压控制措施,在较低开关频率下,实现了MMC各功率单元间有功能量的平均分配和直流电容电压的均衡。

适用于HVDC和HVAC高效稳定互联的MMC双端口电网形成控制

针对不同类型电网互联时互联电力变换器IPC(interconnecting power converter)控制模式复杂、控制难度大等问题,提出一种用于互联多个高压直流和高压交流子电网的IPC新型电网形成GFM(grid-forming)控制方法。该方法利用模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)同时控制其AC和DC端电压,并提出2个双端口GFM MMC控制策略。针对单端口GFM控制和所提双端口GFM控制进行仿真对比,结果表明,与单端口GFM控制相比,双端口GFM控制方法对突发事件(如线路和发电机停运等)的处理更具弹性,且不需为电网中的IPC端口选择GFM或电网跟随GFL(grid-following)的控制方式。

基于复矢量及HSS的MMC交直流侧阻抗建模

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有运行稳定、控制多样化等优点,对其精确建模成为当前研究热点。提出了一种基于复矢量的MMC交直流侧阻抗建模方法。该方法根据复矢量建模的基本原理分析了换流器的正负序转换关系,并在考虑三相耦合的前提下,从差共模角度简述了三相MMC的建模要点,建立了三相系统的完整时域模型。引入谐波状态空间理论(harmonic state space,HSS)对所建模型进行处理来提高建模精度,并利用接口矩阵及阻抗求解的基本原理建立了MMC的交直流侧阻抗模型。最后在仿真平台进行了对比实验,证实了建模方法的可行性。

考虑电容电压平衡的混合型MMC调制波分配策略

针对过调制运行下混合型模块化多电平换流器半桥与全桥子模块之间的电容电压不均衡问题,提出一种桥臂调制波内部动态分配控制方法。首先分析混合型模块化多电平换流器子模块电容电压差异的产生机理;然后提出一种桥臂调制波分配方法,以两种子模块电容周期能量积累差异为控制对象,通过调制波初步分配和限幅环节动态修正调制波在半桥与全桥子模块之间的分配比例,最终生成相应的调制信号;最后,通过仿真与硬件在环实验验证所提策略的有效性。

含主动限流控制的MMC-HVDC电网直流短路故障电流解析计算

传统的MMC-HVDC电网直流短路故障电流计算一般采用等效RLC电路方法。但是该方法没有考虑主动限流控制(ACLC)对等效电路RLC参数的影响,因此无法直接用于含ACLC的MMC-HVDC电网的直流短路故障电流的解析计算问题。该文通过将ACLC的控制效果等效为虚拟阻抗产生的压降,建立了体现ACLC的控制影响的等效RLC电路,以包含电流变化率限流环节的典型ACLC算法为例,推导了直流双极短路故障条件下ACLC的控制参数与虚拟阻抗的映射关系以及相应的直流故障电流解析表达式。最后,以基于含ACLC的半桥型四端MMC-HVDC电网为例,建立PSCAD/EMTDC仿真模型,对采用ACLC的直流双极短路故障电流解析计算结果进行了验证。结果表明:故障后10ms内直流短路故障电流的PSCAD仿真结果与所提出的含ACLC的等效RLC电路解析计算结果的平均误差在8.29%以内,最大误差在10.99%。因此,使用所提出的方法具有工程实用性。

子模块故障下基于变执行频率的MMC功率损耗优化控制

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因其高度模块化和低谐波失真而逐渐成为最适合大功率应用的拓扑之一。当子模块(submodule,SM)发生故障时,故障桥臂中SM电容电压和开关频率将升高,这会导致MMC故障桥臂的功率损耗不平衡,从而影响MMC的寿命。文中提出一种基于变执行频率的功率损耗优化控制(variable execution frequency-based power losses optimization control,VEF-PLOC),该控制通过调整电容电压平衡控制的执行频率来调节功率器件的开关损耗,从而优化故障桥臂中功率器件的损耗。提出的VEF-PLOC能够优化SM故障下故障桥臂功率损耗,从而有效地提高MMC的寿命。最后,在时域专业工具PSCAD/EMTDC上进行仿真,并在小型MMC样机上进行实验,仿真和实验结果皆验证了提出的VEF-PLOC的有效性。

基于阻抗灵敏度的MMC稳定性主导影响因素分析

针对模块化多电平换流器的宽频谐振日益突出且涉及影响因素众多,通过参与因子分析难以宽频段定量寻找主导谐振因素的问题,提出模块化多电平换流器阻抗绝对灵敏度及标幺灵敏度的分析方法,来实现宽频谐振主导因素的定量研究,并降低模块化多电平换流器的谐振风险。首先,建立模块化多电平换流器宽频阻抗模型,对延时环节和电流控制参数开展绝对灵敏度分析,来反映参数变化对系统稳定性的影响趋势;然后,对灵敏度比重标幺化消除各因素间量纲的影响,得到模块化多电平换流器互联系统在各频段稳定性的主导因素;最后,通过Matlab/Simulink模型验证了理论分析的正确性。