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基于半桥子模块结构的模块化多电平换流阀损耗特性分析

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基于半桥子模块结构的模块化多电平换流阀损耗特性分析

作者：周莹坤华北电力大学

学位级别：硕士

模块化多电平换流阀拓扑结构是目前最受关注的柔直换流阀拓扑,目前对于其半桥结构的均压环流等控制方法已经有大量系统的研究,但是都没有针对该控制方式对于损耗的影响进行进一步分析,关于换流阀损耗的分析又都仅局限于特定工作模式下... 详细信息

模块化多电平换流阀拓扑结构是目前最受关注的柔直换流阀拓扑,目前对于其半桥结构的均压环流等控制方法已经有大量系统的研究,但是都没有针对该控制方式对于损耗的影响进行进一步分析,关于换流阀损耗的分析又都仅局限于特定工作模式下换流阀总损耗率的计算,缺乏对子模块损耗一致性的研究。本文在研究MMC拓扑结构、调制技术和控制方法的基础上,分析了MMC损耗计算方法及不同控制方法下的半桥子模块各器件损耗特性以及损耗一致性问题。首先介绍了MMC换流阀的基本工作原理。研究了MMC换流阀的损耗构成,分析了损耗计算方法。采用PLECS仿真软件对MMC换流阀损耗进行计算,结合算例对损耗计算方法的准确性进行了对比验证。其次针对半桥子模块结构分析了NLC调制方式下子模块损耗特性。包括使用限值法和保持因子法这两种排序方法时子模块的损耗特性;使用环流控制抑制器法(CCSC)和三相解耦二次谐波环流抑制算法(TPD)这两种环流抑制策略时子模块的损耗特性;子模块电容容值变化时子模块的损耗特性;改进NLC调制方式,使其输出2N+1电平时子模块的损耗特性。与NLC类似,针对半桥子模块结构分析了CPS-SPWM调制方式下子模块损耗特性。包括使用能量均衡法和排序法这两种均压方法时子模块的损耗特性;使用环流控制抑制器(CCSC)法和三相解耦二次谐波环流抑制算法(TPD)这两种环流抑制策略时子模块的损耗特性。论文最后比较了上述两种调制方式在不同交流侧功率因数下子模块损耗特性以及子模块之间的温度分布特性。

关键词：模块化多电平换流阀半桥结构子模块换流阀损耗最近电平逼近调制载波移相正弦波脉宽调制

基于双层模型的可控电流源换流器损耗优化方法

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电网技术 2024年第6期48卷 2651-2659页

作者：陈龙龙高冲张胤禄张升王以璇张闻闻先进输电技术国家重点实验室(国网智能电网研究院有限公司) 北京市昌平区102209 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206

逆阻型集成门极换流晶闸管是构建可控关断电流源型换流器(current source converter,CSC)的可行器件之一。在换流器运行过程中,损耗的产生使得器件芯片结温上升,从而限制了换流阀的运行能力,因此必须明确并优化CSC中器件结温情况。该文... 详细信息

逆阻型集成门极换流晶闸管是构建可控关断电流源型换流器(current source converter,CSC)的可行器件之一。在换流器运行过程中,损耗的产生使得器件芯片结温上升,从而限制了换流阀的运行能力,因此必须明确并优化CSC中器件结温情况。该文提出了系统性的损耗特性、约束条件,建立了损耗抑制的双层模型,并给出了求解方法。提出了缓冲电路和损耗分析的综合设计方法,对缓冲回路及杂散参数范围进行了研究,对比了优化后的CSC与传统直流和柔性直流换流阀的损耗。结果表明,基于该模型的计算参数,器件损耗为5.7kW,电阻损耗约为1.8kW,器件结温增量为38℃,CSC的损耗与系统占比为0.54%。

关键词：逆阻型集成门极换流晶闸管换流阀损耗电流源型换流器

基于电流注入法的模块化多电平换流器损耗建模

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南方电网技术 2024年第2期18卷 12-20页

作者：彭光强黄之笛苏蕊武霁阳何竞松燕京沈卓轩邢月南方电网超高压输电公司电力科研院广州510663 清华四川能源互联网研究院成都610299 清华大学深圳国际研究生院广东深圳518055

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的阀体损耗较大,MMC型柔性直流精细化电磁暂态仿真及系统效率研究需要对阀体损耗有更准确的模拟。针对现有柔性直流电磁暂态仿真中的阀体因采用等效模型导致的不存在的虚拟损耗问... 详细信息

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的阀体损耗较大,MMC型柔性直流精细化电磁暂态仿真及系统效率研究需要对阀体损耗有更准确的模拟。针对现有柔性直流电磁暂态仿真中的阀体因采用等效模型导致的不存在的虚拟损耗问题,提出了基于电流注入法的柔性直流含阀体损耗电磁暂态建模方法,包括采用有限采样法实现不同运行工况下阀体损耗值的准确自动计算,参考计算结果在建模中采用电流注入法对损耗进行补偿,实现对换流阀损耗的动态跟踪与模拟。最后,通过在PSCAD中搭建柔性直流电磁暂态仿真模型,验证了所提方法的准确性,研究结果可用于精确模拟含阀体损耗的柔性直流电磁暂态建模,且通过仿真可进一步开展降损措施研究。

关键词：模块化多电平换流器电流注入法换流阀损耗柔性直流输电

MMC型柔性直流输电系统及直流—直流变换器损耗分析

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MMC型柔性直流输电系统及直流—直流变换器损耗分析

作者：谢竹君华中科技大学

学位级别：硕士

模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)具有模块式结构、易于拓展、谐波含量低、开关频率低等优势,自提出以来,在学术界和工业界得到了广泛的研究与应用。对于实际MMC型柔性直流输电工程,输电系统的损耗分析研究具有重... 详细信息

模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)具有模块式结构、易于拓展、谐波含量低、开关频率低等优势,自提出以来,在学术界和工业界得到了广泛的研究与应用。对于实际MMC型柔性直流输电工程,输电系统的损耗分析研究具有重要的工程价值。由于MMC包含大量子模块,且损耗特性与控制特性耦合,其损耗计算存在诸多瓶颈和问题。基于此,本文在研究MMC基本原理的基础上,提出了一种基于MMC快速模型仿真的损耗计算方法,并系统分析了交流场、直流场关键设备的损耗计算方法,从而得到了MMC型柔性直流输电系统的通用损耗计算方法。首先,本文研究了MMC型柔性直流输电系统的组成,分析了其损耗分布特点。介绍了换流变压器的设计方法和损耗计算的基本原理,提出了一种模拟绕线过程的铜耗精确评估方法;介绍了桥臂电抗器的结构和设计方法,并根据其绕线方式推导了空芯电抗器的损耗计算公式,提出了一种以损耗最小为最优函数迭代求解电抗器尺寸的方式。其次,详细说明了采用纯解析方式计算换流阀损耗的局限性,分析了在最近电平调制方式和子模块电容电压约束等条件下,离散化的脉冲信号难以解析表示的问题。提出了基于MMC快速暂态模型离线仿真的综合计算方法,利用系统的基本电气量和仿真结果,结合结温反馈过程精确评估了换流阀中各器件的损耗功率和工作温度。根据工程计算特点,提出了一种阀损耗快速计算方法,能在设计初期对换流站整体损耗做出初步评估;根据现有的多种不同拓扑MMC子模块结构,推导了不同类型MMC的阀损耗计算公式。最后,针对两端MMC型柔性直流输电系统和直流-直流变换器等应用场合,详细分析了双极双端柔性直流输电系统、高增益单向直流变换器、直流自耦变压器的损耗计算方法。利用本文提出的损耗计算方法研究了各系统的损耗特性,获得了损耗率和设备的损耗分布,为工程中的系统传输效率评估提供了参考依据。

关键词：模块化多电平换流器换流阀损耗结温反馈变压器损耗分析

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MMC子模块降容后系统特性研究

MMC子模块降容后系统特性研究

作者：赵宇含华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着高电压大容量全控型电力电子器件的发展,以模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）为核心的柔性直流输电技术得到了相应发展,我国已有多个采用MMC作为换流器拓扑的柔性直流输电工程投运。为解决MMC换流阀体积/重... 详细信息

随着高电压大容量全控型电力电子器件的发展,以模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）为核心的柔性直流输电技术得到了相应发展,我国已有多个采用MMC作为换流器拓扑的柔性直流输电工程投运。为解决MMC换流阀体积/重量大、成本高的问题,需在控制系统中加入二次环流抑制和三倍频电压注入等环节来抑制子模块电容电压波动,通过降低子模块电容电压峰值达到降低子模块电容值的目的。然而,采用附加控制策略降容也会在一定程度上对MMC系统的稳态运行范围、故障电流峰值和阀损耗等特性产生影响。本文针对MMC子模块降容后的系统特性开展研究,主要内容如下:首先,以MMC的拓扑结构和降容控制策略为基础,分析了 MMC稳态运行范围的主要约束条件。根据约束条件采用遍历法对MMC的稳态运行区间进行求解,分别得到了子模块降容前和降容后MMC的稳态运行范围,并对稳态运行范围计算方法的有效性进行了仿真验证。对比降容前和降容后系统的稳态运行范围,发现降容后的稳态运行范围比降容前在无功功率大于零方向增大较多,在无功功率小于零方向略有增加,证明了采用二次环流抑制和三倍频电压注入附加控制策略降低子模块电容不会缩小系统的稳态运行范围。然后,采用元件等效的方法对MMC系统直流侧发生故障的情况进行分析。通过对MMC内部元件进行等效和对故障回路进行化简,推导出发生单极接地故障和双极短路故障时故障电流的解析表达式,比较了降容前和降容后的故障电流大小。仿真验证结果表明降容后单极接地故障和双极短路故障的电流峰值是降容前的0.9463倍,证明了采用二次环流抑制和三倍频电压注入附加控制策略降低子模块电容后,系统直流侧单极接地故障和双极短路故障的故障电流可以一定程度降低。最后,提出了一种适用于采用二次环流抑制和三倍频电压注入附加控制策略降低子模块电容后的MMC换流阀损耗计算方法。将换流阀总损耗分为通态损耗、必要开关损耗和附加开关损耗,根据桥臂电流方向和桥臂电压变化情况对这三类损耗进行分段计算,并对损耗计算方法的正确性进行了仿真验证。结果表明,与降容前相比,降容后MMC换流阀的损耗不会增加,若采用三倍频电压注入来提高系统的调制比,换流阀损耗还可以进一步降低。

关键词：模块化多电平换流器(MMC) 降容策略稳态运行范围直流故障特性换流阀损耗

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基于谐波电流时域分段算法的换流站损耗评估

南方电网技术 2009年第1期3卷 45-48页

作者：黎小林黄莹李普明徐政南方电网技术研究中心广州510623 浙江大学电气工程学院杭州310027

介绍了换流阀损耗和换流变压器损耗的计算方法。根据IEC61803中的损耗计算模型,采用时域分段法计算谐波,开发出换流站损耗分析软件。换流站损耗算例分析显示,用时域分段法精确算得的谐波电流对直流侧换流阀及平波电抗器的损耗计算值影... 详细信息

介绍了换流阀损耗和换流变压器损耗的计算方法。根据IEC61803中的损耗计算模型,采用时域分段法计算谐波,开发出换流站损耗分析软件。换流站损耗算例分析显示,用时域分段法精确算得的谐波电流对直流侧换流阀及平波电抗器的损耗计算值影响不大,但对交流侧的换流变压器损耗计算值影响则较明显。

关键词：高压直流输电换流站损耗换流阀损耗换流变压器损耗时域分段法