Fully Decoupled Branch Energy Balancing Control Method for Modular Multilevel Matrix Converter Based on Sequence Circulating Components

The modular multilevel matrix converter(M3C)is a potential frequency converter for low-frequency AC transmission.However,capacitor voltage control of high-voltage and largecapacity M3C is more difficult,especially for voltage balancing between branches.To solve this problem,this paper defines sequence circulating components and theoretically analyzes the influence mechanism of different sequence circulating components on branch capacitor voltage.A fully decoupled branch energy balancing control method based on four groups of sequence circulating components is proposed.This method can control capacitor voltages of nine branches in horizontal,vertical and diagonal directions.Considering influences of both circulating current and voltage,a cross decoupled control is designed to improve control precision.Simulation results are taken from a low-frequency transmission system based on PSCAD/EMTDC,and effectiveness and precision of the proposed branch energy balancing control method are verified in the case of nonuniform parameters and an unbalanced power system.

MMMC两侧电流基于Lyapunov函数的控制策略

分频传输系统(fractional frequency transmission system,FFTS)是一种海上风电电能传输方案,FFTS中最为关键的装置为大功率AC/AC变换器,而模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,MMMC)是一种高电压、大功率AC/AC变换器。针对MMMC输入输出两侧的电流控制,目前一般都采用传统PI控制,其控制参数多且控制效果不理想,而基于Lyapunov函数的控制策略的控制器数量、控制复杂程度和效果都优于PI控制,因此提出了MMMC输入输出两侧电流的Lyapunov函数控制策略。根据MMMC的拓扑结构,推导出MMMC输入输出两侧电流解耦模型,再结合Lyapunov函数控制理论,推导出MMMC输入输出两侧电流的Lyapunov函数控制的数学模型,证明了所提控制具有全局渐进稳定性,讨论了Lyapunov函数控制的不精确以及参数选择问题。最后在MATLAB仿真平台上针对MMMC输入输出两侧电流控制采用所提控制策略和传统控制策略分别在不同工况下进行实验比较,仿真结果验证了所提控制策的正确性与优越性。

基于MMMC插电式混合电动汽车变换系统及充电控制策略

提出一种基于模块化多电平矩阵变换器(MMMC)的插电式混合电动汽车(PHEV)综合变换系统,该系统同时兼顾电机驱动和电池管理,不需额外的充电电路。针对该系统,研究了外接电源充电控制策略。通过建立系统小信号模型和分析各部分功率关系,提出了以MMMC桥臂电流直接控制为核心的多层次电池荷电状态(SOC)均衡充电控制策略,包含相间、桥臂间以及本桥臂各子模块电池SOC均衡充电控制。搭建了RTLAB硬件在环仿真实验平台,实验结果验证了所提出的控制策略的有效性和可行性。

MMMC高压变频系统变压器的设计影响因素分析

多模块矩阵变换器(MMMC)应用于高压大功率场合,具有可4象限运行,无中间直流储能环节,输入输出波形好,功率因数可调等优点。MMMC中变压器漏感和滤波电容对变压器功率因数和电压利用率都有影响,其变压器组二次侧电流谐波间谐波含量高,导致变压器利用率降低。就滤波电容和变压器漏感对MMMC的影响进行分析,探讨滤波器的设计方法,分析变压器二次侧电流影响因素,并给出相应关系曲线,为MMMC中变压器的设计提供了参考。

三相电压不平衡下MMMC双侧Lyapunov控制策略

模块化多电平矩阵变换器(MMMC)应用于新能源海上风电直接AC/AC变换时,由于新能源发电的随机性及本身的非线性特性,在三相电压不平衡下MMMC输入、输出双侧电流常用的PID控制策略难以达到理想的控制效果,基于Lyapunov函数控制方法的控制器数量、控制复杂程度和控制效果都优于PID控制,提出了三相电压不平衡下MMMC的输入、输出双侧采用Lyapunov控制策略。根据MMMC的数学拓扑结构建立三相电压不平衡下MMMC双侧Lyapunov的数学模型,证明了其具有全局渐进稳定性,讨论了控制不精确以及参数选择问题。最后通过仿真平台对提出的Lyapunov控制策略与PID控制策略进行仿真比较,验证了所提控制方法的正确性与优越性。所提Lyapunov控制方法相较于PID控制稳定速度更快,总谐波畸变量(THD)更低,且具有强鲁棒性,对参数的变化不敏感。

远距离风电分频送出方式及大功率变频装置的研发

分频输电作为一种新型输电方式,在风电远距离送出场景下极具优势。为了给远距离风电经分频输电系统送出场景下的关键变频设备——模块化多电平矩阵式换流器(modular multilevel matrix converter,M3C)在工程上的实机研制与生产运行提供参考,首先介绍了分频输电的特性、风电经分频输电送出的系统方案与拓扑以及分频输电系统的关键变频设备。在此基础上,研制了分频输电系统中工/分频能量变换的关键设备——35 kV/3 MVA M3C变频器,并进行了性能试验。试验结果表明:分频变频器工程样机满载情况下的效率、模块电压不均衡度、电压/电流谐波畸变率、分频侧频率调节偏差以及功率阶跃响应时间等关键性能指标均符合设计要求。最后对分频输电系统的发展前景以及效益进行了分析,同时也指出了目前分频输电系统发展所面临的技术挑战。

模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析

基于模块化多电平矩阵换流器(M3C)的柔性低频输电系统在中远海风电外送、异步电网互联等方面优势突出。然而,有别于模块化多电平换流器(MMC)等其他电力电子换流设备,M3C的控制策略将导致系统故障特性发生显著变化。现有将电力电子设备负序部分等效为开路的故障等值与响应特性计算方法无法适用。文中计及M3C正序定电容电压总平均值控制、负序电流注入控制以及环流控制分层构成的桥臂电容电压均衡策略,推导了工频侧线路故障以后,M3C输入输出功率均衡、桥臂功率均衡(电容电压均衡的必要条件)与正负序电压电流间的映射关系,由此构建了工频侧线路故障(不对称、对称)后的M3C输出电压电流响应特性的等效模型。在此基础上,提出了M3C接入下工频侧线路故障后电压电流响应特性的精确计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建了海上风电柔性低频送出系统仿真模型,通过大量仿真算例充分验证了所提故障特性分析方法的正确性和精确性。

不对称工况模块化多电平换流器稳定性分析的矩阵降维

模块化多电平换流器(MMC)在对称工况下的建模与稳定性分析已经得到了广泛关注。实际工程中的MMC会处于不对称运行工况,如桥臂电感不对称、交流侧电压不对称等,不对称工况下的导纳建模与稳定性分析需要进一步展开研究。目前,考虑系统多频耦合的导纳模型与定量的导纳降维方法是不对称工况稳定性分析的难点。因此,文中主要建立了适用于不对称工况的MMC导纳模型,并对适用于MMC不对称工况下小扰动稳定性分析的矩阵降维方法展开研究。该降维方法基于导纳矩阵的向量范数,适用于“黑箱”系统及各种不对称工况,可定量评估各阶导纳矩阵的降维误差量。以中国鲁西背靠背异步联网工程广西侧为例,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所建模型的准确性及所提降维方法在多种不对称工况下的适用性。

基于变论域模糊PI控制的M3C外环控制策略

模块化多电平矩阵变换器可为远程交流电网提供频率控制支持,在高压低频交流输电系统中具有良好的应用前景,但传统外环比例积分(PI)控制器易受到自身参数和负荷变化的影响,控制效果稳定性不高。为此,这里提出了一种变论域模糊PI自适应外环控制策略。利用变论域模糊PI控制的自动感应和自适应能力,实现了外环输入误差大小的自适应和自调整。同时,利用基于函数的伸缩因子方法为输入/输出论域设计伸缩因子,以提高控制精度。仿真和实验结果表明,与传统PI控制相比,该控制不仅提高了系统稳定性,而且增强了自适应调节能力。

电流差动保护在海上风电低频送出线路中的适应性分析

低频输电技术在中远距离海上风电领域应用潜力巨大。电流差动保护是广泛应用的传统交流保护,面对电力电子型电源时其性能可能受到影响,故有必要研究其在海上风电低频输电系统中的适应性。文中基于故障复合序网推导了直驱风机和模块化多电平矩阵换流器的电源特性对故障电流的影响,理论分析了电流差动保护的适应性。为定量分析保护适应性,提出了基于改进节点方程的故障电气量计算方法,计算给定故障条件下的故障电流和保护判据取值,判断保护动作情况。研究表明,单相接地和两相短路时保护灵敏度降低,甚至可能拒动;两相接地和三相短路时,保护能正常动作。最后,建立PSCAD/EMTDC仿真模型验证了理论分析和计算方法的正确性。

基于混频电源运行的模块化多电平矩阵式换流器阀段试验系统

模块化多电平矩阵式换流器(M^(3)C)是目前柔性低频输电系统完成频率变换的主要电力电子设备。M^(3)C包含9个桥臂,应用在高压大功率场合的串联模块数目众多,对其设备子模块的生产提出了特殊试验需求。在M^(3)C桥臂稳态电压和电流分析基础上,设计了一种应用于数个串联桥臂子模块(阀段)的对拖运行试验系统,可对其进行等效功率运行测试,以辅助M^(3)C设备的生产和出厂测试。提出了对拖试验系统的控制策略,搭建了由两组4个串联子模块构成的阀段对拖试验系统,进行了相关试验验证。试验结果表明,所提出的试验系统能够满足M^(3)C桥臂串联子模块的等效功率运行试验,并且对电源功率消耗要求不高。

计及纹波和谐波的M3C稳态特性建模与功率运行区间研究

明确模块化多电平矩阵变换器(M3C)的功率运行区间是制订运行方案的前提与基础,但由于M3C内部纹波和谐波特性建模困难,现有研究未能充分考虑它们对电气量峰值、有效值等指标的影响,导致计算结果不够精确。对此,提出面向M3C纹波和谐波耦合特性的dq域动态建模方法,并建立21维模型;进而,提出稳态运行点求解方法,并考虑网侧电流、调制比、桥臂电流有效值和子模块电容电压峰值约束,结合典型算例计算M3C功率运行区间;同时,针对电容电压峰值影响因素众多、计算困难的难题,提出近似计算方法;最后,提出拓展功率运行区间的建议。研究结果表明:所建模型具有较高精度;M3C的功率运行区间在重载时主要由网侧电流约束决定,在轻载时主要由子模块电容电压波动约束决定;抑制谐波环流有助于提升M3C功率运行区间;当M3C两侧无功功率较大且方向相反时功率运行区间下降。

海上风电M3C换流器虚拟同步发电机控制

文中在分频海上风电送出的场景下,针对模块化多电平矩阵式换流器(modular multilevel matrix converter,M3C)的控制策略展开研究,将M3C系统与传统旋转同步发电机系统在结构参数和运动方程上进行对比,分析M3C变频器模拟同步发电机外特性的可行性。以换流器参与系统频率调节和稳定系统电压为目标,基于虚拟同步发电机控制理论,设计M3C换流器虚拟同步发电机控制方案,建立一种适用于分频海上风电M3C换流器的控制策略。最后利用PSCAD/EMTDC仿真平台,验证了该控制策略的正确性,并在相同系统结构和参数下,将该控制策略同双dq变换的解耦控制策略进行对比仿真研究。结果表明,虚拟同步发电机控制策略能够使变频器具有惯性和阻尼特性,可以参与系统频率调节,并且具有良好的控制响应特性。

不平衡电网下双dq坐标变换的M3C微分平坦控制策略

针对目前模块化多电平矩阵变换器(M3C)研究中常用的双αβ坐标变换解耦不彻底、传统PID控制方法效果差、不平衡工况研究少等问题,在分析拓扑结构和数学模型的基础上,采用双dq坐标变换对电气量进行解耦,建立了M3C的输入输出侧数学模型,分别对电压、电流进行正负序分离,并结合微分平坦理论,推导了输入侧、输出侧的微分平坦控制(DFC),最后模拟了两种不平衡工况下的运行情况。仿真结果表明,与线性PID控制相比,非线性的微分平坦控制提高了内环电流的跟踪速度和精度,更适用于非线性的M3C系统。在电网平衡或电网出现不对称故障时,微分平坦控制下M3C系统的动态稳定性与快速性更好,电能质量更高,电流谐波含量最多可以降低1.42%,能够更有效地抑制负序电流。

基于M3C的柔性低频输电系统启动控制策略研究

基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的柔性低频输电系统,其在远距离大容量输电、城市电网和海上风电送出等领域具有较大的应用潜力,近年来得到了广泛关注。目前对该系统启动控制策略的研究还较少,为此文中对该领域开展相关研究。首先对柔性低频输电系统结构和M3C基本原理进行研究,分析出了启动过程中将会面临的问题。然后结合全桥子模块特点为M3C设计合理的充电策略,并以双端M3C柔性低频输电系统为对象设计合理的启动逻辑,确保启动过程中低频断路器无冲击合闸并实现站间无扰动连接,同时在M3C解锁及低频电压建立过程中降低电流冲击。最后通过在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建仿真模型进行仿真研究,验证了所提启动控制策略的正确性和可行性。文中所提启动控制策略安全、可靠且易实现,具有较高的工程应用价值。

基于前n选择排序的M3C多步启动策略

针对模块化多电平矩阵变换器(M3C)传统两步式启动策略在解锁算法时冲击电流较大、传统多步式启动策略时间较长、最近电平调制(NLM)策略中排序占据大量计算资源的问题,此处提出了一种改进式的M3C多步式启动控制策略。首先分析了在解锁算法时产生冲击电流的原因,提出了一种基于改进排序方法的多步启动策略,减小了可控阶段的算力需求。同时通过分层控制,保证各个桥臂电容电压在启动过程中的平衡与稳定。最后搭建仿真和实验平台,验证了所提基于改进排序算法的M3C多步启动策略的可行性和可靠性。

模块化多电平矩阵变换器低频控制方法

模块化多电平矩阵变换器(MMMC)在低频甚至零频率运行时,低频纹波电压与输出频率成反比,导致模块电容电压波动过大而影响MMMC安全运行。为解决该问题,提出一种MMMC低频控制方法。该方法外环采用层次化电容电压平衡控制,并基于能量交换规律将输出二倍频纹波电压当做有用成分,与电容电压直流分量共同参与平衡控制,最后,通过复合控制器实现MMMC相间平衡和低频纹波抑制的双重控制;内环采用各桥臂电流独立控制,避免了复杂的解耦变换和内部环流产生。该方法适用于输出零频率的特例工况。通过半实物实验验证了所提控制方案的可行性、有效性以及优良的动静态特性。

基于双dq坐标变换的M3C变换器的数学模型及控制策略研究

模块化多电平矩阵式变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)是一种可实现直接交交功率变换的新型拓扑,在未来高电压大功率异步混联系统中有着广阔的应用前景,因而对其数学模型及控制策略的研究具有十分重要的意义。论文通过对M3C换流系统的3个子换流器分别进行αβ0坐标变换,发现对称运行时桥臂中的非零序分量只与输入侧电气量有关,而桥臂中的零序分量只与输出侧电气量有关。基于此结论,论文首次提出了对M3C桥臂中电压、电流的非零序分量和零序分量分别进行输入频率、输出频率的dq旋转坐标变换,推导出了基于双dq坐标变换的M3C数学模型。该模型实现了系统输入输出两种交流频率分量的解耦,并将所有的交流电气量转换为直流量。在此基础上,论文提出了相应的矢量控制方案,该方案中所有的被控量在稳态时都是直流量,物理概念清晰,控制结构简单,比以往文献在αβ0坐标系下的控制方案更易实现控制的无静差特性。最后论文在Matlab平台上搭建了M3C换流系统模型并采用文中的控制方案进行仿真研究,仿真结果验证了所提数学模型的正确性和控制策略的优越性。

模块化多电平换流器子模块分组排序调制策略

针对高压大容量模块化多电平换流器调制及子模块投切问题,提出了降低子模块电容电压排序运算量的分组排序调制方法。以电容电压排序运算量最优为目标,确定换流器桥臂子模块的最优分组数量;建立分组后的子模块电容电压矩阵,并对其进行组内纵向排序、组间横向排序,形成以子模块电容电压为序的子模块矩阵;每个控制周期,根据桥臂电流参数,按照子模块电压升高或降低方向,进行子模块投入、切除控制。同时引入子模块电容电压偏差控制,以防止电容电压偏差过大并降低功率器件开关频率。通过101电平柔性直流输电系统数字实时仿真,以及37电平的柔性直流输电系统物理动态仿真,得出提出的均压控制策略可以明显降低排序的运算量以及子模块的开关频率,并能保证子模块电容电压波动量维持在额定值的-5%-5%以内。

模块化多电平矩阵变换器电容电压纹波稳态分析

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrixconverters,M3C)是一种新型的基于级联H桥的直接交-交变换器拓扑结构,可用中/高压功率频率变换场合,但其应用范围受H桥子模块直流侧电容纹波电压的限制。从能量守恒角度研究M3C子模块电容电压的一般性波动规律,导出稳态条件下电容纹波电压与M3C输入/出频率、功率因数、电压比值等参量之间的定量关系。对各参量对纹波电压的影响程度进行理论分析并得出下列结论:电容纹波电压中一般含有输入/输出频率的二倍频、差频及和频4种频率成分,在几种特例中仅包含3种频率成分;电容纹波电压幅值对输入/输出频率比值变化非常敏感,当输入和输出频率彼此接近或一个趋近于零时,纹波电压幅值会逐渐变得很大,导致M3C无法正常工作。仿真计算验证了理论分析的正确性。