基于模块化多电平换流器的直流系统故障电流分析及故障穿越测试

半桥型模块化多电平转换器(half-bridge modular multilevel converter,HBMMC)具有阻止直流链路中的短路的能力,而全桥型模块化多电平转换器(full-bridge modular multilevel converter,FBMMC)可以产生双极性电压从而阻止直流链路中的短路电流快速清除直流侧故障,是实现直流故障穿越的理想拓扑。研究极间短路故障的特征及其数学模型,提出计算故障电流的改进分析法。基于临界故障电阻分析,研究模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的传输系统的直流短路穿越的能力。分别模拟两种运行模式:第一种运行模式中MMC可以用无功功率支持交流电网,但不会传输有功功率;第二种运行模式中MMC可以在故障期间传输有功功率。在PSCAD/EMTDC软件中构建FBMMC-HVDC仿真模型,验证所提概念的可行性。     

模块化多电平换流器子模块故障仿真与诊断

分析了模块化多电平换流器(MMC)的工作原理和故障特性,搭建了基于MATLAB/Simulink的五电平MMC故障仿真平台,对子模块中IGBT器件的开路、短路和高阻等故障状态进行模拟,总结出发生不同故障时输出直流电压、子模块电容电压和交流侧三相电流的变化特征,可为MMC故障诊断与故障模块定位提供参考。     

模块化多电平换流器电磁暂态建模研究

模块化多电平换流器的桥臂由数百个子模块串联而成,因而换流器中包含大量的开关器件.开关器件过多造成仿真工作量大、仿真速度慢等问题.基于模块化多电平换流器的戴维南等效建模方法,推导元件的等值计算模型,改进元件等值计算中的历史电压源递推公式,省略了元件的历史电压源计算过程中支路电压的中间计算,提高仿真速度.基于改进后的公式重新构建模块化多电平换流器电磁暂态仿真模型,在PSCAD/EMTDC软件中搭建双端MMC-HVDC系统,对比两个系统的仿真结果,验证了建模方法的精确度和快速性.     

模块化多电平换流器的新型桥臂故障容错控制方法

模块化多电平换流器（MMC）被广泛应用于中高功率的输配电场景中,相比传统换流器,MMC可以在桥臂故障的情况下保持容错运行,提高了供电可靠性.尽管已经有相当多的关于MMC的容错运行控制方面的研究,但当三相MMC的一个桥臂发生严重故障而必须被旁路时,其控制方法还没有相关研究.为了解决这个问题,提出了一种新型桥臂故障容错控制方法,该方法通过对桥臂环流的直流分量和交流分量进行调节,实现了对除发生严重故障而被旁路桥臂以外的上下桥臂电容电压的独立控制.通过使用MATLAB/SIMULINK对连接到低压电网的三相MMC进行仿真,证实了所提出的容错方法的可行性和有效性.     

模块化多电平换流器优化模型预测控制策略

为了保证MMC-HVDC系统的安全稳定运行,针对网压不对称工况下模块化多电平换流器出现的内部能量分布不均以及波动增加等问题,提出基于能量分析的模块化多电平换流器优化模型预测控制策略。通过对网压不对称工况下换流器内部能量进行分析,采用一种优化的模型预测控制,针对交流侧相电流、MMC内部环流、子模块电容电压设计3个独立的控制阶段,避免权重选取。最后,通过MATLAB/SIMULINK软件进行仿真验证。研究结果表明:所提出的控制策略在有效控制MMC外部特性的同时,能实现MMC内部能量控制。     

模块化多电平换流器的快速数字仿真模型

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)拓扑中含有大量电力电子开关元件,因而在基于器件电气物理模块的电磁暂态仿真环境中仿真速度十分缓慢.提出了一种基于简化阻抗变换矩阵的MMC快速数字仿真模型,将电气开关等效为两个状态的可控等效电阻,电容则等效为其暂态等值模型,从而构建了单个子模块的等效阻抗变换矩阵,通过等效电阻串联的方式,简化了矩阵计算,大幅降低了MMC的仿真时间.在Matlab/Simulink环境下搭建了MMC快速数字仿真模型,验证了该模型的有效性.     

模块化多电平换流器的桥臂聚合模型

模块化多电平换流器（MMC）在新能源并网、岛屿供电等方面具有独特的优势,得到了越来越广泛的应用.由于MMC子模块数众多,导致其电磁暂态仿真计算量大、耗时多,增加了MMC设计和优化的难度,更不利于含MMC电力系统的电磁稳定性仿真分析,因此需要建立准确高效的仿真模型以便于对系统不同的运行方式和工况进行分析.依据MMC子模块工作模态,分析了MMC桥臂的工作模式,建立了一种可适用于系统级分析的桥臂聚合模型,推导了其参数的计算方法.最后在PSCAD/EMTDC中搭建了一个49电平MMC详细电磁暂态模型及其等效聚合模型,对比了两种模型在VSC-HVDC的启动、运行、故障时的动态过程.结果表明,所提出的MMC聚合模型可以精确模拟各种工况下MMC的系统级行为.      

模块化多电平换流器子模块均压方法

子模块的均压问题是研究模块化多电平换流器(MMC)的关键技术。针对传统子模块电容电压均衡控制存在调制波计算量大的问题,提出一种优化的电容电压均衡控制策略,该策略在传统子模块电容电压均衡控制的基础上,引入2个开关,并设置2个电容电压偏差参考值与实际值进行比较来判断开关的开通与关断。这种方法不仅可以使电容均压计算量减少,而且可以切除故障子模块。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC的仿真模型,仿真验证该方法的正确性和有效性。     

混合型模块化多电平换流器的改进载波移相控制策略

基于半桥子模块和全桥子模块组成的子模块混合型模块化多电平换流器桥臂不仅具备直流侧故障自愈能力,而且具有更高的设备利用率和更低的功率损耗特性,提出一种适用于换流器输出电平数较少的该类子模块混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的改进载波移相控制策略。该控制策略将载波移相调制和基于排序的传统子模块电容电压均衡方法相结合,采用附加控制器维持半桥和全桥子模块阀段间电压平衡,并在PSCAD/EMTDC中搭建子模块混合型MMC仿真模型。研究结果表明:所提出的改进载波移相控制策略是可行和有效的,采用附加控制器可维持半桥和全桥子模块阀段间电压平衡,有效避免最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)应用于电平数较少换流器带来的谐波问题,提高波形质量,适用于子模块数量较少的低电压场合。     

基于DSP-FPGA的模块化多电平换流器PWM脉冲方案对比

由于MMC主控系统通信任务繁重、算法复杂,并且考虑到扩展性,通常采用一种基于数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的主控系统架构.为了研究DSP与FPGA产生的PWM脉冲对控制效果的影响,分析了MMC的基本结构和数学模型,在分析CPS-SPWM在MMC中应用特点的基础上,设计了两种PWM控制脉冲产生方案,并进行了仿真验证和实验对比.仿真结果表明:两种方案产生PWM控制脉冲的一致性;实验结果表明:两种方案在硬件中产生的实际PWM脉冲分配规律相同,但脉宽存在差异,从而导致控制效果不同.实验结论为工程设计提供了参考依据.     

一种改进的模块化多电平换流器模型预测控制策略

模块化多电平换流器以其高效率、低谐波、开关频率低的特点在高压高功率输配电领域得到了日益广泛的应用。模型预测控制可以控制多个被控变量。传统模型预测控制应用于具有大量子模块的模块化多电平换流器系统时,计算量巨大,无法实现实时控制。本文提出一种基于桶排序的双层模型预测控制方法。对电容电压进行桶排序,将电压排序后的子模块按次序等分为若干组,通过第一层模型预测控制确定需要插入桥臂的组数,再通过第二层模型预测控制进一步确定需要插入的子模块。在PSCAD/EMTDC下搭建模块化多电平换流器仿真系统,验证了所提方法的有效性。     

基于模块化多电平换流器拓扑的静止同步补偿器非线性控制策略

基于模块化多电平换流器的静止同步补偿器(MMC-STATCOM)能够对输电系统进行灵活控制和动态补偿,对于充分挖掘现有电网潜力具有举足轻重的意义。但是,MMC-STATCOM作为一种强耦合、多变量的非线性系统,需要选择合适的非线性控制策略来实现其丰富的控制功能。建立MMC-STATCOM数学模型并结合非线性控制理论中的优点,提出了无源滑模控制策略。当系统参数变化或存在外部扰动时,该控制策略赋予MMC-STATCOM系统较强的鲁棒性和良好的控制性能。在MATLAB/Simulink中构建了21电平MMC-STATCOM仿真系统,仿真结果验证了所提控制策略的可行性。     

模块化多电平变流器输出电流谐波抑制策略

最近电平逼近是模块化多电平逆变器(MMC)常用的调制方法之一,当模块数偏少,或者调制电压过低时,输出电流会产生畸变.从原理上分析了MMC输出电流谐波畸变产生的原因,然后提出了一种抑制MMC输出电流谐波的控制方法.该方法对输出电流进行分频提取后通过PI调节器得到反相谐波电压,最后将反相谐波电压叠加到调制电压上获得总的参考电压.所提出的方法简单可行,易于实现.仿真分析和实验结果表明,采用本文所提出的方法,模块化多电平变流器输出电流的畸变得到较好的抑制.     

采用卡尔曼滤波算法的模块化多电平换流器电容值在线估计方法

为预防模块化多电平换流器中子模块电容器老化失效而引发系统安全问题,提出一种模块化多电平换流器子模块电容器电容值在线估计方法.首先,采用卡尔曼滤波滤除传感器采集桥臂信息存在的测量噪声;然后,利用传感器监测桥臂电流和子模块电压信息并对其进行离散化处理,建立电容、电压及电流的数学模型,实时估计子模块电容值的情况;最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建8电平系统进行仿真验证.结果表明,所提出的方法稳态时估计误差在1%以内,能够实现在线估计,有利于预测性防护,提高系统的可靠性.     

基于模块化多电平换流器电容均压控制的环流抑制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块电压波动导致相间环流过大的问题,在设计MMC子模块均压的基础上,提出一种将低通滤波器与并联的多个准比例谐振(quasi proportional resonant,QPR)控制器结合的新型环流抑制器.首先介绍MMC基本拓扑结...     

具备故障电流阻断能力的改进型子模块及特性

实际工程中如何实现直流故障电流的阻断是基于模块化多电平换流器(multilevel modular converter, MMC)的柔性高压直流输电(flexible high voltage DC transmission based on MMC, MMC-HVDC)系统中亟须研究与解决的关键问题之一。在分析已提出的子模块拓扑的基础上,提出一种带有双向开关的钳位双电容子模块(clamp double capacitor bidirectional switch sub-module, CDCBSSM)。该子模块拥有双电容,可以输出3个电平,发生故障时将电容反向串联进故障回路中,利用电容的反向电压在抑制故障电流的同时迫使钳位二极管处于偏置状态从而快速切断故障电流且闭锁后电容电压较为稳定。与其他子模块拓扑相比,该子模块单位电容下所需功率器件的数量最少,具有良好的经济性。在MATLAB仿真平台上对该子模块的故障阻断特性进行验证,仿真结果证实该子模块在阻断直流故障电流方面有效,且各功率器件的电压应力也和理论分析相吻合。     

一种模块化多电平直流输电线路单端保护原理

应用故障网络分析法,研究了模块化多电平高压直流输电线路可能发生的各种短路故障类型,并对其故障特性进行分析。分析结果表明:当发生正极故障时,两侧换流站正极、负极串联小电感电压的故障分量的极性均为负;当发生负极故障时,串联小电感处电压的故障分量的极性均为正;当发生双极故障时,正极、负极串联小电感处电压的故障分量的极性为一负一正,二者极性是相异。根据此特征,可以实现故障极的判别。另外,当发生单极区内故障时,正、负极串联小电感处,电压故障分量的变化速率不同;当发生单极区外故障时,上述位置处,电压故障分量的变化速率都比较慢,几乎相同。若单极故障是正极区内故障,正极电压故障分量变化率要远大于负极的;若是负极区内故障,则正极电压故障分量变化率要远小于负极的。当发生双极区内故障时,正、负极的电压故障分量的变化速率均很快,其极性为正极为负,负极为正,二者的极性是不同的。因此,根据一端换流站正、负极小电感电压的故障分量变化速率的快慢,可实现区内、外故障的识别。最后,用PSCAD搭建双端模块化多电平高压直流输电系统仿真模型。基于该模型,进行各种故障的仿真,用以产生故障数据,并用MATLAB对故障数据进行处理,对保护算法进行验证。仿真结果表明故障分析及保护原理的正确性和有效性。     

组合多电平式APF直流侧电压平衡控制策略

H桥级联式多电平变流器用于有源电力滤波器(APF)时,H桥功率单元直流侧电容电压的平衡制约着系统补偿的性能.通过对应用两电平变流器或H桥级联式多电平变流器的APF的研究,提出了更有利于实现多电平APF直流侧电容电压平衡控制的组合式多电平变流器拓扑;以新的多电平拓扑为基础,提出了2电压环的直流侧电压控制策略,解决了多电平有源电力滤波器直流侧电压平衡问题.仿真实验证明,该组合式多电平变流器拓扑是有效实用的,直流侧电容电压平衡控制策略也具有良好的控制效果.     

改进的最近电平调制策略在模块化多电平变换器中的应用

为了提高模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)在子模块数量较少时使用最近电平调制(nearest level modulation,NLM)的输出电压质量,以及上下桥臂电压的平衡,提出了一种改进的最近电平调制方法。与传统最近电平调制方法相比,改进的调制方法的优势在于能够将输出电压电平数从N+1增加到2 N+1,在不改变子模块电容平均电压的情况下,降低了输出电压的总谐波失真,并且减小了子模块电容电压的波动以及上下桥臂电压均值的差异。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了控制策略的有效性。     

基于模块化多电平变换器的有源滤波器研究

随着电气化铁路的日益发展,谐波、负序大量增多,在电网中运行的有源滤波器(Active Power Filter,APF)在补偿时可能会遇到待补偿容量大于装置实际输出容量的情况,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)结构因具有结构模块化易于扩展、所需元件少、可以避免补偿装置的频繁投切对电网造成的扰动等优点,其研究对APF灵活扩容具有重大意义,且多电平结构的有源滤波器自身输出谐波含量少,适用于有源补偿场合。该文对基于模块化有源滤波器进行分析与仿真,通过仿真结果证明模块化多电平型有源滤波器可以提高补偿性能。