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交流侧级联全桥子模块的混合MMC离散观测器设计

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电力系统及其自动化学报 2020年第10期32卷 55-62页

作者：夏超英辛威于佳丽天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

为了解决模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)在低频应用时高幅值共模电压问题,同时减少电压传感器数量,本文采用在传统MMC交流侧级联若干全桥子模块的混合MMC拓扑HMMC-CFB(hy⁃brid modular multilevel converter with... 详细信息

为了解决模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)在低频应用时高幅值共模电压问题,同时减少电压传感器数量,本文采用在传统MMC交流侧级联若干全桥子模块的混合MMC拓扑HMMC-CFB(hy⁃brid modular multilevel converter with cascaded full-bridge),并设计了HMMC-CFB电容电压离散观测器实现对各桥臂所有模块电容电压的观测。采用无源性理论,从稳定性角度出发,给出观测器误差系统一致渐近稳定的观测器增益取值方法。本文所用拓扑能明显降低共模电压幅值,所设计的观测器能减少电压传感器数量。最后,通过仿真验证了所提策略的有效性和性能。

关键词：中压电机驱动全桥子模块离散观测器无源性理论

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混合型MMC全桥子模块的配置比例优化设计

华北电力大学学报（自然科学版） 2020年第4期47卷 10-18页

作者：蒋纯冰王鑫赵成勇华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京102206

由半桥子模块(half-bridge submodule,HBSM)和全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)组成的混合型模块化多电平换流器因具备无闭锁直流故障穿越能力,成为了柔性直流输电领域的研究热点。首先,对混合型MMC的拓扑结构进行分析,并介绍无... 详细信息

由半桥子模块(half-bridge submodule,HBSM)和全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)组成的混合型模块化多电平换流器因具备无闭锁直流故障穿越能力,成为了柔性直流输电领域的研究热点。首先,对混合型MMC的拓扑结构进行分析,并介绍无闭锁故障穿越的机理。为降低FBSM的配置比例,减少换流站投资成本,在桥臂电压调制波中注入三倍频电压的条件下,对直流侧短路故障工况、降压运行工况进行了FBSM配置比例优化设计。计算表明,桥臂调制波中未注入三倍频电压时,FBSM配置比例需达到50%,注入三倍频电压后,FBSM配置比例达到43.3%即可实现系统的稳定运行。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建401电平双端混合型MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和三倍频电压注入优化策略的有效性。

关键词：混合型模块化多电平换流器半桥子模块全桥子模块三倍频电压无闭锁故障穿越

基于全桥子模块的降压型MMC排序均压算法研究

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基于全桥子模块的降压型MMC排序均压算法研究

作者：钱奕西南交通大学

学位级别：硕士

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)属于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)的一种新型拓扑,应用在中压及高压领域时展现出明显的优势,其可控性、灵活性更好,在远距离大容量输电、分区控制的大型电网以及... 详细信息

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)属于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)的一种新型拓扑,应用在中压及高压领域时展现出明显的优势,其可控性、灵活性更好,在远距离大容量输电、分区控制的大型电网以及诸如风电等清洁能源并网等领域得到了广泛应用。本文以三相全桥MMC结构为基本研究拓扑,从基本理论分析、Matlab/Simulink仿真及实验验证三个方面进行了全桥降压型MMC控制系统、调制方式及子模块电容电压均衡控制等方面的研究工作。首先,本文分析了全桥子模块的投切模式、三相全桥MMC的工作原理及子模块的电容谐波,在此基础上分析了三相全桥MMC基于端口电压的数学模型及基于I/I的三相有功无功解耦控制策略。同时,在Matlab\Simulink中搭建了两模块系统仿真模型,对前述基本理论分析与基于I/I的有功无功解耦控制策略进行了充分验证。其次,对MMC的调制方式进行比较,并针对全桥MMC子模块负电平输出的能力,通过合理规定子模块投切规则,再结合最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation,NLM)计算得到各桥臂子模块投入个数指令,使得子模块按一定规律投切,实现负投入时端口电压的正弦输出,达到全桥MMC直流侧降压运行的目的。再次,针对全桥MMC子模块电容电压波动的问题,借鉴半桥MMC排序均压的思想研究了一种适用于全桥MMC的子模块电容电压均衡控制算法。该算法判断子模块充放电状态后利用子模块投入的自由度保持各个子模块间的电容电压基本一致。同时,针对该算法开关频率过高的问题,通过引入上一刻子模块投入状态以减少开关管的动作次数,从而降低开关频率、减小换流器的开关损耗。最后,基于Matlab/Simulink验证了全桥MMC基本工作原理、降压型NLM调制方式及子模块电容电压均衡控制算法的正确性。同时,搭建了三相全桥三模块MMC小功率实验平台,完成了基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的主从控制系统的程序设计,实验验证了所研究电路及其控制方法的正确性与有效性。

关键词：模块化多电平变换器全桥子模块最近电平逼近调制电容电压均衡控制

交流侧级联全桥子模块的混合MMC（HMMC-CFB）拓扑及控制策略研究

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交流侧级联全桥子模块的混合MMC（HMMC-CFB）拓扑及控制策略研究

作者：辛威天津大学

学位级别：硕士

模块化多电平变换器（MMC）凭借着其模块化、低开关频率、低谐波等优点,广泛的应用于高压直流输电,但在低频运行时,子模块电容电压波动量增大,这阻碍了它在大功率电机驱动领域的应用。采用注入高频共模电压和高频环流的方案能降低电容... 详细信息

模块化多电平变换器（MMC）凭借着其模块化、低开关频率、低谐波等优点,广泛的应用于高压直流输电,但在低频运行时,子模块电容电压波动量增大,这阻碍了它在大功率电机驱动领域的应用。采用注入高频共模电压和高频环流的方案能降低电容电压波动,但同时会带来电机侧高幅值的共模电压,给电机的安全运行带来隐患。本文采用在MMC交流侧级联若干全桥子模块的混合MMC拓扑（hybrid modula multilevel converter with cascaded full bridge,HMMC-CFB）解决共模电压问题。本文首先对半桥子模块和全桥子模块的拓扑结构进行分析,为下文的直流侧预充电启动的讨论奠定了基础。然后对HMMC-CFB的拓扑结构进行分析,建立便于分析的数学模型,以交流侧低频输出为例,详细地分析了该拓扑吸收注入高频共模电压的工作原理。将HMMC-CFB的直流侧预充电的过程分成三个阶段,讨论了限流电阻阻值对不可控充电阶段的影响,在可控充电阶段,分析了现有的开环和闭环充电策略,并对其进行改进。针对传统电容电压均衡中排序算法时间复杂度高的问题,本文提出了基于Top-K算法的模块投入流程和增加随机数的混合电容电压均衡策略,减少了算法时间复杂度,降低了开关频率。为了减少电压传感器的数量,降低系统的复杂性,设计了HMMC-CFB电容电压离散观测器实现对各桥臂所有模块电容电压的观测,同时采用无源性理论,从稳定性角度出发,给出了观测器误差系统一致渐近稳定的观测器增益取值方法。最后在Matlab/Simulink中搭建模型进行对以上控制策略进行仿真验证。

关键词：高压电机驱动全桥子模块直流侧预充电电容电压均衡电容电压观测器

模块化多电平变换器全桥型子模块优化均压控制方法

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电机与控制应用 2021年第3期48卷 75-80页

作者：刘道正金鑫游坤奇刘罗刘西蒙易灵芝湖南电器科学研究院有限公司湖南长沙410009 湘潭大学自动化与电子信息学院湖南省多能源协同控制技术工程研究中心湖南湘潭411105

模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比,当SM增加时,会导致MMC的开关损耗急剧增加,因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。采用最近电平逼近调制(NLM)方式,提出一种基于全桥型SM的改进均压排序... 详细信息

模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比,当SM增加时,会导致MMC的开关损耗急剧增加,因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。采用最近电平逼近调制(NLM)方式,提出一种基于全桥型SM的改进均压排序法,旨在降低MMC中功率器件IGBT的开关频率,该方法实现相对简单,无需额外的控制器,且易于扩展。最后,通过在MATLAB/Simulink平台搭建了19个全桥SM的仿真模型,验证了该方法的有效性。验证了所提全桥型SM优化均压策略,可以有效避免IGBT不必要的反复投切,降低IGBT的开关损耗,同时对外部输出特性不会产生负面影响。

关键词：模块化多电平变换器改进均压排序法开关损耗全桥子模块

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

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高电压技术 2024年第4期50卷 1608-1620页

作者：武鸿王跃刘熠李鹏坤西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

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MM... 详细信息

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。

关键词：模块化多电平换流器全桥子模块开路故障诊断开关序列故障类型开关损耗

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采用低比例全桥的混合MMC及其直流故障穿越策略

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中国电机工程学报 2024年

作者：张紫如赵西贝贾秀芳熊岩周月宾袁智勇徐义良新能源电力系统全国重点实验室(华北电力大学) 直流输电技术全国重点实验室(南方电网科学研究院有限责任公司)

通过模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)进行远距离、大容量输电，是推广可再生能源外送的重要方案。半全混合MMC可利用全桥子模块的负压输出能力，满足阀组在线投退、无闭锁直流故障穿越等运行需求，但全桥子模块... 详细信息

通过模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)进行远距离、大容量输电，是推广可再生能源外送的重要方案。半全混合MMC可利用全桥子模块的负压输出能力，满足阀组在线投退、无闭锁直流故障穿越等运行需求，但全桥子模块占比通常不得低于50%，使得混合MMC的成本居高不下。为提升混合MMC工程经济性，本文提出了一种全桥占比降低的混合MMC设计方法。首先，利用子模块短时升压能力，分析不同直流电压调节需求下的混合MMC全桥占比要求，提出低全桥占比的混合MMC运行原理。其次，针对全桥占比降低导致的故障阶段全桥子模块过压风险，从子模块电容电压控制与定直流电流控制两个维度提出抑制子模块过压的故障穿越控制策略。最后，提出了暂态子模块电压峰值的离散化计算方法。基于PSCAD的仿真表明，全桥占比40%的MMC升压1.25 倍后，可具备与全桥占比50%的MMC相似的故障穿越能力，子模块电压最大为1.37 p.u.，处于安全运行区间内，验证了所提方案可行性与计算方法有效性。

关键词：高压直流输电模块化多电平换流器全桥子模块子模块电压直流故障半全混合

六角形模块化多电平AC/AC换流器损耗特性分析计算

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电力系统自动化 2019年第13期43卷 105-113页

作者：张翀李宽宏张轩江道灼梁一桥浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027 国网福建省电力有限公司福州供电公司福建省福州市350009 北京理工大学自动化学院北京市100081

详细分析换流器的损耗特性对于系统设计、冷却装置选型都有着重要意义。文中基于全桥子模块的工作特性,对六角形模块化多电平AC/AC换流器(Hexverter)的子模块损耗分布及换流器的总损耗进行分析计算。首先,简要介绍和仿真验证了Hexverte... 详细信息

详细分析换流器的损耗特性对于系统设计、冷却装置选型都有着重要意义。文中基于全桥子模块的工作特性,对六角形模块化多电平AC/AC换流器(Hexverter)的子模块损耗分布及换流器的总损耗进行分析计算。首先,简要介绍和仿真验证了Hexverter的工作原理。然后,通过提取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的数据进行拟合,建立IGBT及其续流二极管的通态特性和开关特性参数,进而对子模块工况进行详细分析,根据全桥子模块的输出特性推导出各器件导通范围及导通时间的解析表达式,从而得到通态损耗和开关损耗的理论计算表达式。最后,通过10 kV系统算例对换流器损耗进行了定量分析,对支路内不同子模块的损耗分布和不同工况下Hexverter的损耗进行计算,结果表明全桥子模块内部的损耗分布呈现对称性外,同一支路内各子模块损耗也不尽相同,特别是在不同容量及功率因数的工况下,子模块损耗分布及换流器总损耗存在明显差异。

关键词：模块化多电平AC/AC换流器通态损耗开关损耗全桥子模块

一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统

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电力系统自动化 2014年第2期38卷 70-78页

作者：许烽徐政郑欢唐庚薛英林浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027

现有三极直流输电系统基于晶闸管换流器,存在一些与传统直流输电系统相似的固有缺陷。文中提出了一种改进系统:极3采用基于全桥子模块的模块化多电平换流器,极1和极2采用基于钳位双子模块的模块化多电平换流器。同时,提出了三极直流协... 详细信息

现有三极直流输电系统基于晶闸管换流器,存在一些与传统直流输电系统相似的固有缺陷。文中提出了一种改进系统:极3采用基于全桥子模块的模块化多电平换流器,极1和极2采用基于钳位双子模块的模块化多电平换流器。同时,提出了三极直流协调控制策略,并且为了抑制过渡阶段的暂态过电压,减小接地电流和功率波动,还提出了电压反向控制、电流维零控制和功率协调控制。采用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,结果表明利用所提控制策略,三极直流输电系统能够获得较好的响应特性,在维持电容电压平衡的同时,能够抑制交直流间功率扰动和接地极电流波动。

关键词：三极直流结构全桥子模块钳位双子模块协调控制电压反向控制电流维零控制功率协调控制