电网电压三相不平衡时FMSS正负序电流补偿型VSG控制

柔性多状态开关(FMSS)是一种取代传统联络开关应用于现代配电网的新型电力电子设备,能够优化现代配电网分布式电源的消纳和调控。和传统控制算法相比,采用VSG控制的FMSS不受弱电网环境下锁相环性能恶化的影响,在低电网强度下能够向电网提供频率支撑,从而增强系统的稳定性。FMSS作为接入配电网的装置,当电网电压发生三相不平衡现象时,传统VSG控制下的FMSS输出电流、功率会发生明显的波动,并网点的效率会大大降低。针对此问题,以模块化多电平变流器(MMC)结构为基础,在VSG控制策略的基础上引入正负序电流补偿,分别实现不平衡电网下FMSS输出电流、有功功率及无功功率的稳定。最后,通过Matlab/Simulink搭建四端FMSS模型,利用仿真验证所提控制策略的有效性。

新型全固态模块化多电平特种高压电源优化设计

模块化多电平换流器(MMC)已成为新型全固态特种高压电源的有效解决方案,对其进行轻量化设计以节约设备空间成本成为当前研究热点。MMC中限制功率密度提升的首要因素为子模块大尺寸电容,为降低MMC对子模块容值的需求,提高系统功率密度,提出一种改进型MMC(I-MMC)拓扑。应用隔离型开关电容变换器,实现上下桥臂一对子模块高频链互联。研究中相单元内上、下桥臂子模块对并联的高频链两侧采用同步控制,使子模块电容之间呈现开关电容特性,实现波动功率在电容之间的自由传递,进而消除相位相反的基频与3倍频波动分量。结合MMC运行调制比和功率因数分析基频与3倍频波动分量消除后子模块电容取值,完成模块化设计。所提方案可将子模块电容减小至常规MMC的1/4。仿真与实验结果验证了所提拓扑方案的正确性与有效性。

自适应三管导通机制下模块化开关磁阻电机系统转矩交叉补偿控制

模块化变换器驱动型开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)系统在降低系统体积与开发成本、促进电机变换器系统统一的同时,受两相串联励磁和母线电压的限制,转矩脉动问题进一步加剧。文中提出一种基于自适应三管导通的转矩控制策略可有效避免换相区两相串联励磁导致的转矩跌落,并在此基础上建立一种三步换相机制,通过确定换相区的自适应分区原则,揭示各换相分区的转矩交叉补偿原理,有效抑制模块化SRM转矩控制系统的相电流峰值,提高转矩跟踪效果。最后,基于一台150 W、三相12/8极SRM搭建系统模型与实验平台,验证所提出控制方案的可行性和有效性。

基于排序算法优化的MMC功率模块降损策略

模块化多电平换流器(MMC)包含的功率器件多、桥臂电流大,导致电压源换流器单元运行损耗大,直接影响系统的经济性。针对该问题提出了一种功率模块开关损耗降低策略,通过降低桥臂电流较大区域的开关次数减少开关损耗,通过增大桥臂电流较小区域的开关次数抑制模块电压波动,最后以昆柳龙工程柳北站电压源换流器单元为例,通过PSCAD仿真和RTDS试验验证了降损策略的有效性,显著降低了功率模块开关损耗,提高了系统效率。

模块化多电平换流阀子模块用真空旁路开关设计

模块化多电平换流阀(MMC)子模块的可靠性直接影响到柔性直流输电系统的整体稳定性,旁路开关是决定子模块关断性能的关键设备之一。文中基于永磁机构的工作原理和理论建立一种双线圈旁路开关模型,利用仿真分析电容储能电压、电容值、线圈线径和匝数以及弹簧参数对开关动态特性的影响规律,并对其动态特性进行优化设计。最后根据仿真结果制作样机并进行试验验证,测试结果表明:旁路开关满足在3 ms内合闸,零弹跳的技术要求,且通过雷电冲击试验、工频耐压试验、方波电压试验3项绝缘试验。

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。

Research on the Topology and Control Scheme of an Innovative Modular Multilevel Converter

This paper presents a new modular multilevel converter (MMC) topology. Compared to conventional multilevel converters, MMC has much lower switching frequency (50 Hz) resulting in lower switching losses, and consequently, lower total losses of the transmission system. The fundamental concept and the applied control scheme are introduced in detail. A modified multilevel fundamental switching modulation scheme adopting the multicarrier pulse width modulation concept is presented. A capacitor voltage balancing technique is proposed. With the established simulation model of the 11-level MMC, the modulation and balancing strategy presented are confirmed by MATLAB/SIMULINK simulations. The multicarrier pulse width modulation converter strategy enhances the fundamental output voltage and reduces total harmonic distortion. This new type of converter is suitable for high-voltage drive systems and power system applications such as high voltage dc (HVDC) transmission, reactive power compensation equipment and so on.

集成直流故障换流电路的改进型混合MMC

基于全桥(FB)与半桥(HB)子模块的传统混合式模块化多电平换流器(MMC)是典型的具有直流故障自清除能力的MMC。然而,常规混合MMC中FB占比通常大于50%,增加了成本与损耗。鉴于此,为了减少混合MMC中FB的数量,提出一种集成晶闸管开关电容直流故障换流电路的改进型混合MMC。所提MMC中HB-MMC与FB-MMC均保留了各自完整的主体,并在交流侧采用三绕组变压器进行连接,在直流侧进行串联连接。同时,由于直流侧集成了一个基于晶闸管的开关电容结构,所提MMC能够实现直流故障的清除。研究表明,所提MMC中FB占比可降低至10%~25%,甚至更低(限制于交流电压的波形),在降低换流器成本的同时降低了通态损耗。仿真结果验证了分析的正确性。

基于子模块电容电压允许值的MMC均压控制策略

针对模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)传统子模块(sub-module,SM)均压策略存在的开关频率高、开关损耗量多、计算量大等问题,提出基于子模块电容电压允许值的均压控制策略。通过引入电容电压允许值变量,使得SM电压始终在规定的范围内运行,降低了功率器件损耗。与此同时,由于不需要每个控制周期对全部SM进行排序,进一步减少了控制策略的计算量。通过仿真结果验证了所提策略的有效性,可以显著减少单位时间内功率器件的开关次数。

面向新能源接入的电能路由器模式切换协调控制策略

电能路由器(electrical energy router,EER)可实现新能源、储能及多种电能负载的灵活接入,协调控制和运行模式切换是其运行控制的重点。为实现EER运行模式的平稳过渡,降低EER运行模式切换时母线稳压单元控制模式改变导致的切换冲击,首先分析并网和孤岛两种运行模式切换时的电压扰动机理,研究系统内功率突变以及母线稳压单元控制器的调节过程对系统的影响。然后设计EER模式切换时序,提出一种基于移相比保持器、电流保持器的控制器输出量提前补偿的模式切换协调控制策略,能够实现端口功率的实时平衡,降低模式切换暂态过程中的电压扰动,提升系统的暂态稳定性。最后,通过Matlab/Simulink仿真软件搭建EER仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。

基于反馈精确线性化解耦的FMSS改进滑模控制策略

柔性多状态开关(flexible multi-state switch,FMSS)存在非线性和强耦合的特点,传统的比例积分(proportional integral,PI)控制难以实现输出功率的完全解耦,且存在PI参数调节困难、系统动态响应速度慢及鲁棒性差等问题。文中首先利用反馈精确线性化将FMSS由高阶非线性系统转化为2个完全独立的一阶线性系统,实现了有功和无功电流的完全解耦;然后针对传统滑模控制(sliding mode control,SMC)趋近速度慢、系统收敛性能差以及运动抖振大等问题,设计了一种基于自适应趋近率的改进SMC算法,对电压外环和电流内环进行优化,并通过Lyapunov函数研究了所提算法的稳定性;最后在Simulink软件中,对三端口FMSS在输出功率扰动、交流电压暂降及系统参数摄动等工况下进行仿真分析,结果表明所提控制策略增强了系统的鲁棒性和抗干扰能力,可有效提升系统的动态响应速度。

基于辅助子模块的MMC输出电流谐波优化控制方法

基于半桥结构的模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因其具有功率大、电压等级高等特点,在柔性直流输电系统中被广泛应用。与载波移相调制(carrier phase shift modulation,CPS-PWM)相比,最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)具有控制简单,开关频率低的显著优势。但在输出电平较少时,NLM调制输出电流谐波畸变率较大。因此,文中在传统MMC的每个桥臂中串入1个全桥子模块,控制该全桥子模块的电容电压为半桥子模块的1/2,以增加MMC输出电平数。对NLM调制策略进行改进,改进后的调制策略可以实现半桥和全桥子模块的平衡控制,并在此基础上,提出了一种降低子模块开关频率的方法。最后,在MATLAB/Simulink中搭建了详细的仿真模型,仿真结果验证了文中MMC拓扑和改进NLM调制策略的有效性。

模块化多单元磁通切换电机设计与特性分析

该文提出一种具有高转矩密度、低转矩脉动的新型模块化多单元磁通切换(modularelementaryfluxswitching permanentmagnet,ME-FSPM)电机结构,研究槽极配合对电磁特性的影响。基于气隙磁场调制原理,从永磁磁场调制的角度阐明ME-FSPM电机气隙磁导调制系数对永磁磁密调制谐波影响规律。由于轴向模块配合与集成环形绕组拓扑,ME-FSPM电机不同槽极配合下具有高绕组因数特征,进而针对性的定义气隙磁导调制系数是决定永磁磁链基波幅值的关键参数。依据气隙磁导调制系数模型,揭示电负荷恒定下转子极数与电磁转矩变化规律。基于气隙磁密分布规律,分析模块配合下齿槽转矩抑制原理,依据槽极配合选择实现齿槽转矩基波抵消以及输出转矩提升,提出ME-FSPM电机槽极配合选择方法。最后,在6槽ME-FSPM电机结构下,选择6槽/7极和6槽/8极结构具有良好的转矩特性,并通过仿真与实验验证理论方法的合理性与有效性。

模块化多电平开关串联型直流变压器的电流优化控制策略

针对模块化多电平开关串联型直流变压器在中压侧端口电压偏低和轻载情况下存在电流应力增大、运行效率降低的问题,提出了一种基于低压侧全桥内移相控制的电流优化控制策略。通过移相控制,在高频变压器端口产生零电平区间,抑制了传输电感电流尖峰,降低了器件电流应力及损耗。通过研究该直流变压器的工作模式,分析电流应力,以电流应力优化为目标制定优化控制策略。该策略采用分段计算移相角的方法,在维持开关管软开关特性的同时达到良好的闭环控制效果。最后,通过仿真和样机实验验证了所提优化控制策略的有效性。

M^(2)S^(2)DCT的阀串支路电流优化控制策略

具有模块化多电平结构的串联开关直流变压器(direct current transformer, DCT)在使用传统单移相控制时,存在中压侧全桥换流时阀串支路产生电流尖峰的问题,器件承受额外的电流应力。基于该新型DCT的工作原理与电流波形,提出一种基于中压侧全桥换流移相的阀串支路电流优化调制方法。文中对阀串支路的电流应力进行详细分析,结合电路可靠工作移相角范围,确定中压侧全桥换流移相角最优值的计算方法,从而确立优化控制策略。该优化控制策略独立于原有的功率控制环路运行,不改变DCT功率传输状态,不影响功率的调节控制,易于投入实际应用。仿真与样机实验的结果验证了该优化控制策略降低电流应力的有效性,同时样机实验结果显示效率得到提升。综合原理分析与效果验证可知,该优化控制策略对设备的安全运行与器件选型具有借鉴意义。

基于MMC的四端口柔性多状态开关虚拟同步裕度控制

柔性多状态开关(Flexible Multi-State Switch,FMSS)是一种取代传统点断式开关应用于现代配电网的新型电力电子设备,能够优化现代配电网分布式电源的消纳和调控。相比于传统背靠背型柔性多状态开关,四端口柔性多状态开关可实现不同电压等级和不同区域网的柔性互联及潮流互济。以模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)为基础的四端口FMSS装置为研究对象,针对常规控制策略影响系统频率稳定性,无法对弱交流电网提供频率支撑等问题,引入虚拟同步控制(Virtual Synchronization Control,VSC)策略。该方法使柔性多状态开关具备惯性响应特性和调频能力,在此基础上提出直流电压裕度控制,形成整体的虚拟同步裕度控制,确保直流母线电压发生故障或扰动下FMSS的可靠运行。最后,通过Matlab/Simulink搭建四端FMSS模型,利用仿真验证所提控制策略的可行性。

交直流配电网用模块化变换器模型预测控制

针对交直流配电网模块化变换器IGBT开关状态组合多,计算复杂的问题,提出基于改进的子模块电容电压控制算法.利用MMC相电流、环流和子模块电容电压建立目标函数,根据改进子模块电容电压控制算法,消除了目标函数的权重系数,无需计算所有可能开关状态组合的目标函数,简化了传统MPC控制策略,降低了控制算法的计算复杂性.实例分析证明该方法能够在保证计算精度的同时,有效降低计算量.

双半桥子模块MMC的降频降复杂度运行策略

为了改善模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中电容电压均衡难度大和换流站运行损耗高的问题,本文针对双半桥子模块(double half bridge submodule,D-HBSM)设计了一种降频降复杂度运行策略。首先介绍了D-HBSM的串联、并联、旁路工作模式,根据桥臂输出电平数目推导了处于三种工作模式的子模块数。接着,基于子模块轮换思想,分别设计了适用于高压与中低压直流系统的D-HBSM工作模式确定方法。此外,对比了不同电压等级直流系统中D-HBSM与HBSM的运行损耗,体现了D-HBSM的降频效果。最后,基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提降频降复杂度运行策略的能够有效改善换流器运行特性。与传统HBSM相比,在相同的电容电压一致性的前提下,D-HBSM的子模块电容利用率提高至70%,高压直流系统中开关频率降低50%,计算负担减小75%。

一种直流插座的设计

为了保证直流用电,特别是高电压大电流的用电安全,对配电单元的保护能力提出了更高的要求,尤其是日常使用的插座,主要对直流插座的工作原理、设计参数、结构设计展开分析。实验证明:所设计插座为符合交流86规格和日常用电习惯的大功率直流插座。此产品在满足现有86型墙壁插座底盒规格的前提下,实现了高直流电压、大电流带载下的随意拔插。

模块化NPC逆变器中点电位平衡及环流抑制的协同控制策略

本文研究了一种模块化三相三线制中点箝位型(Neutral Point Clamped—NPC)三电平逆变器中点电位控制与环流抑制的协同控制技术。首先介绍了模块化逆变器系统的整体结构与可切换的控制模态;然后针对NPC并联系统中特有的中点电位问题与模块间不均流的问题,提出一种和零序环流协同控制的准比例谐振的中点电压平衡算法。所提的优化控制方法可使NPC逆变器保证输出波形质量的同时具有更宽的稳定运行范围。仿真结果验证了理论分析的正确性。