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新型串联混合型模块化多电平变换器及其控制策略研究

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电网技术 2023年第11期47卷 4688-4697页

作者：公铮赵纯伍小杰中国矿业大学电气工程学院江苏省徐州市221116

近年来,模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)因具有模块化的结构特点,在柔性直流输电领域受到广泛关注。随着电压等级的提升,传统MMC拓扑的子模块数成倍增加,装置成本及体积大幅提高。为实现MMC的轻型化设计目标,提出... 详细信息

近年来,模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)因具有模块化的结构特点,在柔性直流输电领域受到广泛关注。随着电压等级的提升,传统MMC拓扑的子模块数成倍增加,装置成本及体积大幅提高。为实现MMC的轻型化设计目标,提出一种串联混合型MMC(series hybridMMC,SHMMC)拓扑,对其工作原理进行介绍,并推导其数学模型。同时,针对相单元内部所存在的释能过电流问题展开讨论,设计适用于SHMMC拓扑的控制策略。MATLAB/Simulink仿真及样机实验研究结果表明该拓扑正确可行,且具有较好的输出特性及内部特性。在直流侧电压相同的情况下,所提SHMMC拓扑相较于传统MMC拓扑子模块数更少,在保障良好输出特性的前提下损耗更低,且无需设置桥臂电抗器,有利于降低装置体积,有效实现了轻型化设计目标。

关键词：模块化多电平变换器柔性直流输电结构简化释能电流控制电容电压平衡

永磁同步电机长线变频驱动系统定频滑模预测电流控制

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电工技术学报 2023年第4期38卷 915-924页

作者：郑长明阳佳峰高昂公铮伍小杰中国矿业大学电气工程学院徐州221116 国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司镇江212002

煤矿高效可靠生产运输的一种优选方案是采用井上变频-井下永磁同步电机长线驱动方式。长线缆会加剧电机过电压和绝缘老化,故需加装输出LC滤波器。LC滤波器增加了系统阶数,导致传统线性控制策略结构复杂且参数整定耗时。为此,该文提出一... 详细信息

煤矿高效可靠生产运输的一种优选方案是采用井上变频-井下永磁同步电机长线驱动方式。长线缆会加剧电机过电压和绝缘老化,故需加装输出LC滤波器。LC滤波器增加了系统阶数,导致传统线性控制策略结构复杂且参数整定耗时。为此,该文提出一种永磁同步电机长线变频驱动系统的固定开关频率滑模预测电流控制(FSF-SPCC)策略。首先,建立基于滑模切换函数的预测模型,并设计基于滑模面跟踪的价值函数。因滑模面固有地实现了多变量控制,故可有效抑制谐振。其次,为了提升系统稳态性能并方便LC滤波器的设计,进一步提出一种三矢量FSF-SPCC控制器,实现了固定开关频率。最后,通过实验验证了所提控制策略的可行性。

关键词：永磁同步电机长线驱动滑模预测控制固定开关频率

基于虚拟电阻有源阻尼的LC滤波型永磁同步电机系统预测电流控制

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电工技术学报 2023年第22期38卷 6059-6069页

作者：郑长明董萱萱肖子语阳佳峰公铮中国矿业大学电气工程学院徐州221116

LC滤波型永磁同步电机(LC-PMSM)驱动系统因具有固有谐振峰而易引起电流环谐振失稳问题,且LC滤波器增大了系统阶数,导致常规线性控制方法结构和参数整定复杂。为解决上述问题,该文提出一种基于虚拟电阻有源阻尼的无差拍预测电流控制策略... 详细信息

LC滤波型永磁同步电机(LC-PMSM)驱动系统因具有固有谐振峰而易引起电流环谐振失稳问题,且LC滤波器增大了系统阶数,导致常规线性控制方法结构和参数整定复杂。为解决上述问题,该文提出一种基于虚拟电阻有源阻尼的无差拍预测电流控制策略。考虑到逆变器侧电感电流可由控制器直接控制,首先,设计了一种结构简单的电感电流无差拍预测控制器,其能够实现对定子电流的间接矢量控制;其次,为了抑制系统固有谐振,进一步提出了一种基于滤波电容并联虚拟电阻的有源阻尼控制策略;最后,给出了系统的闭环稳定性分析及参数设计准则,并通过实验验证了所提控制方法的有效性。

关键词：永磁同步电机 LC滤波器预测控制虚拟电阻有源阻尼

基于模块统一脉宽调制的模块化多电平变换器优化模型预测控制

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中国电机工程学报 2017年第5期37卷 1478-1488页

作者：郭国胜戴鹏公铮中国矿业大学信息与电气工程学院江苏省徐州市221116

针对模块化多电平变换器传统模型预测算法(model predictive control,MPC)计算量大、权重因子调节复杂的问题,提出了一种优化的模型预测控制策略。通过控制各相上、下桥臂导通子模块的个数,控制交流侧电流快速跟随给定值,并抑制模块化... 详细信息

针对模块化多电平变换器传统模型预测算法(model predictive control,MPC)计算量大、权重因子调节复杂的问题,提出了一种优化的模型预测控制策略。通过控制各相上、下桥臂导通子模块的个数,控制交流侧电流快速跟随给定值,并抑制模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)内部环流。同时,基于子模块电容电压排序算法,稳定各子模块电容电压。相较于传统的MMC模型预测控制方法,该方法无需求解价值函数,很大程度上降低了控制器的运算量,同时有效控制了相电流、环流与子模块电容电压,适用于控制性能要求较高的场合。借助模块化多电平逆变器仿真模型与实验样机验证所提算法的有效性。结果表明,优化后的模型预测算法能有效抑制环流,维持子模块电容电压稳定,相电流快速跟随给定值,同时很大程度上减少了控制系统的计算量。

关键词：模块化多电平变换器模型预测控制模块统一脉宽调制电容电压排序

模块化多电平换流器的快速电压模型预测控制策略

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电力系统自动化 2017年第1期41卷 122-127,167页

作者：公铮伍小杰戴鹏中国矿业大学信息与电气工程学院江苏省徐州市221116

针对传统模型预测控制策略用于模块化多电平换流器(MMC)时存在运算量庞大的问题,在分析MMC离散数学模型的基础上,通过优化控制目标实现方式、简化滚动优化过程,提出一种结合排序均压思想的快速电压模型预测控制策略。该控制策略针对三相... 详细信息

针对传统模型预测控制策略用于模块化多电平换流器(MMC)时存在运算量庞大的问题,在分析MMC离散数学模型的基础上,通过优化控制目标实现方式、简化滚动优化过程,提出一种结合排序均压思想的快速电压模型预测控制策略。该控制策略针对三相MMC系统,基于电压矢量预测模型进行设计,可在保留传统模型预测控制算法优点的同时令运算量得到大幅度减小,使其应用不受MMC电平数量限制。通过在MATLAB/Simulink软件中搭建双端21电平的基于MMC的柔性高压直流输电(MMC-HVDC)系统模型进行了仿真验证,证明了所提控制策略的正确性和有效性。

关键词：柔性高压直流输电模块化多电平换流器模型预测控制电压平衡计算量优化

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基于多谐振控制器的MMC简化环流抑制策略

电工技术学报 2016年第13期31卷 74-81页

作者：伍小杰杨超公铮戴鹏中国矿业大学江苏省煤矿电气与自动化工程实验室徐州221008

模块化多电平变换器(MMC)的内部环流主要由直流分量和偶次谐波分量组成。环流谐波分量会提高对开关器件的要求,严重时甚至会影响MMC稳定工作,因此有必要对环流进行抑制。为了获取环流直流分量,设计了数字低通滤波器,依据MMC环流成分组... 详细信息

模块化多电平变换器(MMC)的内部环流主要由直流分量和偶次谐波分量组成。环流谐波分量会提高对开关器件的要求,严重时甚至会影响MMC稳定工作,因此有必要对环流进行抑制。为了获取环流直流分量,设计了数字低通滤波器,依据MMC环流成分组成公式计算出环流偶次谐波分量和,在此基础上,提出基于多谐振控制器的MMC简化环流抑制策略。此外,构建了MMC环流闭环控制模型。在详细分析准比例谐振控制器各参数对系统稳定性影响的基础上,设计二次准谐振控制器参数,为环流控制器参数设计提供了依据。最后通过实验研究,证明所提出的简化环流抑制策略能有效降低环流谐波分量,减小桥臂电流畸变,有利于MMC稳定工作。

关键词：模块化多电平变换器环流数字低通滤波器多谐振控制器

基于载波移相调制的模块化多电平变换器变频运行控制

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中国电机工程学报 2015年第11期35卷 2822-2830页

作者：公铮伍小杰王钊戴鹏中国矿业大学信息与电气工程学院江苏省徐州市221008

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)工作于低频工况时,子模块电容电压波动加剧导致输出电压畸变严重,制约了其在中高压大功率变频调速领域中的应用。针对这一问题,在分析MMC数学模型的基础上,从维持各相上、下桥臂... 详细信息

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)工作于低频工况时,子模块电容电压波动加剧导致输出电压畸变严重,制约了其在中高压大功率变频调速领域中的应用。针对这一问题,在分析MMC数学模型的基础上,从维持各相上、下桥臂功率动态平衡角度出发,设计一种基于注入高频共模电压及高频环流的电压波动抑制策略。为降低功率器件开关频率并减少系统损耗,将载波移相技术应用于MMC变频驱动,分别讨论输出N+1和2N+1电平相电压的实现方式。基于载波移相调制,结合低频工况子模块电容电压波动抑制方法,提出一种变频工况下MMC子模块电容电压控制策略,并设计相应控制系统架构及实现方式。该控制策略能在变频工况维持子模块电容电压平衡,保证调速过程中MMC和电动机正常平稳运行,并在低开关频率下获得良好的输出谐波特性。最后,通过搭建Matlab/Simulink仿真及实验样机,验证所提控制策略的正确性和有效性。

关键词：模块化多电平变换器载波移相变频电压平衡低开关频率

新型并联交错型多电平变换器的桥臂统一脉宽调制策略

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中国电机工程学报 2018年第23期38卷 7026-7034页

作者：公铮张海军戴鹏李明中国矿业大学

并联交错型变换器(parallel interleaved multilevel converter,PIMC)是在多变换器并联结构基础上发展而来的新型大功率变换拓扑。目前,PIMC通常采用耦合式桥臂电感以便于均衡各桥臂电流,对电感设计的要求高且扩展性较差,因此考虑采用... 详细信息

并联交错型变换器(parallel interleaved multilevel converter,PIMC)是在多变换器并联结构基础上发展而来的新型大功率变换拓扑。目前,PIMC通常采用耦合式桥臂电感以便于均衡各桥臂电流,对电感设计的要求高且扩展性较差,因此考虑采用分立式桥臂电感,但现有调制策略存在难以均衡桥臂电流、算法实现较为复杂等问题。针对这些问题,推导PIMC各桥臂输出电流变化量与桥臂开关函数的动态表达式,进而从保证电流动态平衡的角度出发,提出易于实现的桥臂输出电流排序均衡方法,并结合其实现方式设计了桥臂统一脉宽调制策略。该策略能够有效控制PIMC各桥臂输出电流均衡,在占用较少控制器资源的情况下获得良好的输出谐波特性,易于向任意电平数扩展。最后,基于大功率MATLAB/Simulink仿真及小功率平台实验结果,详细分析了PIMC的内、外部特性,验证所提调制策略的正确性和有效性。

关键词：并联交错型多电平变换器桥臂电感设计电流均衡脉宽调制脉冲模式

基于MMC主动限流的柔性直流配电网优化配合保护策略

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电网技术 2021年第11期45卷 4277-4285页

作者：公铮赵思涵朱荣伍伍小杰中国矿业大学电气与动力工程学院江苏省徐州市221116 哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院广东省深圳市518000

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流配电网发生直流短路故障后,激增的故障电流将严重威胁电网安全稳定运行。为抑制故障电流,针对半桥MMC型直流配电网提出一种基于主动限流控制的优化配合保护策略,通... 详细信息

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流配电网发生直流短路故障后,激增的故障电流将严重威胁电网安全稳定运行。为抑制故障电流,针对半桥MMC型直流配电网提出一种基于主动限流控制的优化配合保护策略,通过减小直流故障电流上升率与故障隔离时间来抑制故障电流。首先根据故障电流特性提出了基于虚拟电抗的主动限流方式来限制故障电流上升率;进而根据单端量电流变化率特性设计了快速故障区域识别方法;并综合上述内容形成了快速故障区域识别与直流断路器动作的优化配合保护方案,通过优化断路器时序配合来加快故障隔离速度,进一步抑制了故障电流。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了柔性直流配电网仿真模型,通过多个算例验证了所提方案的有效性。

关键词： MMC 柔性直流配电网直流故障主动限流控制直流断路器