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混合mmc无源供电系统的自取能预充电策略研究

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高压电器 2024年第11期60卷 160-168页

作者：陈国平张志宇贺亚慧马宏涛梁桢孙谦浩崔彬国网新疆电力有限公司昌吉供电公司新疆昌吉831100 清华大学电机系北京100084

由于桥臂中全桥子模块的使用,混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)的预充电启动策略与传统mmc有很大的不同。基于此,文中针对面向无源供电的两端混合mmc送电系统,提出了一种基于交、直流辅助电阻的子模块自取... 详细信息

由于桥臂中全桥子模块的使用,混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)的预充电启动策略与传统mmc有很大的不同。基于此,文中针对面向无源供电的两端混合mmc送电系统,提出了一种基于交、直流辅助电阻的子模块自取能预充电策略。该策略的特点在于,综合考虑了基于混合mmc的两端直流系统预充电时直流侧电压的变化,有效利用了混合mmc所具有的直流电流阻断功能,通过交、直流侧辅助电阻的合理配合解决了混合mmc预充电时的电流冲击,使得无源侧混合mmc的预充电时长明显缩短,预充电期间同类子模块的电容电压基本保持一致,有效避免了“黑模块”与旁路模块的产生,降低了混合mmc的启动控制难度。基于MATLAB/Simulink的仿真平台,验证了文中所提策略的正确性与有效性。

关键词：混合mmc 柔性直流输配电无源供电预充电策略

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混合mmc子模块电容电压波动耦合抑制策略

华北电力大学学报（自然科学版） 2020年第5期47卷 30-38,55页

作者：邓伟成陆锋许建中华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京102206 国网浙江省电力公司温州供电公司浙江温州325000

降低模块化多电平换流器(Multilevel Modular Converter,mmc)中子模块电容电压纹波幅值,能够降低电容器容值、体积设计要求从而降低经济成本,具有一定的工程研究意义。混合mmc由半桥以及全桥子模块构成,因其具备直流故障无闭锁穿越能力... 详细信息

降低模块化多电平换流器(Multilevel Modular Converter,mmc)中子模块电容电压纹波幅值,能够降低电容器容值、体积设计要求从而降低经济成本,具有一定的工程研究意义。混合mmc由半桥以及全桥子模块构成,因其具备直流故障无闭锁穿越能力,已成为当前的研究热点。首先建立二倍频环流和三倍频电压混合注入的mmc数学模型,给出二倍频环流和三倍频电压注入约束范围。在此基础上,通过分析桥臂瞬时功率基频、二倍频波动分量的通用抑制策略,进一步给出了基频和二倍频波动分量同时抑制的理论最优解。由于注入量的限制,不同工况下的解状态不同,因此提出基于工况判断的子模块电容电压波动分区抑制方法,注入量的最优选取不受限于具体调制比。最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端混合mmc模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提优化方法的有效性。

关键词：混合mmc 子模块电容器环流注入三倍频电压注入过调制电容电压波动抑制

混合mmc子模块电容电压波动特性分析及抑制方法

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混合MMC子模块电容电压波动特性分析及抑制方法

作者：陆锋华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

模块化多电平换流器（Multilevel Modular Converter,mmc）由于具备控制灵活、模块扩展性好、损耗低、谐波含量少等特点,适用于高压大功率的柔性直流输电、海上风电并网等场景,具有广阔的应用前景。然而,mmc换流阀中子模块电容占子模块... 详细信息

模块化多电平换流器（Multilevel Modular Converter,mmc）由于具备控制灵活、模块扩展性好、损耗低、谐波含量少等特点,适用于高压大功率的柔性直流输电、海上风电并网等场景,具有广阔的应用前景。然而,mmc换流阀中子模块电容占子模块体积的1/2以上、成本的1/3左右。因此与传统直流输电换流阀（Line Commutated Converter,LCC）相比,相同容量下mmc换流阀的体积重量大、成本高。在此背景下,研究适用于各种工况下的子模块电容电压波动抑制策略,降低对电容容值的设计要求,具有经济性和稳定性的现实意义。同时,由于半桥子模块（Half-bridge Submodule,HBSM）不具备直流故障阻断能力,且通过闭锁阻断直流故障的方案仍存在系统停电时间长、故障闭锁期间失去交流支撑能力等问题,由半桥子模块和全桥子模块（Full-bridge Submodule,FBSM）构成的混合mmc因其较强的无闭锁故障穿越能力和经济性逐渐受到重视。但混合mmc在过调制时存在子模块间电容电压波动差异问题,现有策略也未能完全发挥混合mmc的多自由度控制特性,因此,有必要深入研究混合mmc的子模块电容电压波动特性,实现更大程度的降容效果。针对以上问题,首先在mmc基本模型基础上建立混合mmc的电容电压波动数学模型。同时,为了更好的衡量电容电压波动与子模块电容容值之间的关系,建立子模块电容电压波动与子模块电容容值的数学模型,为分析混合mmc子模块电容电压波动特性,研究整体子模块电压波动抑制策略提供了理论依据和参考。进一步地,提出一种混合mmc子模块电容电压波动差异抑制策略。从混合mmc的周期性充放电规律出发,利用三次谐波电压注入改变桥臂电压波形的能力,最终实现半桥和全桥子模块能量积累差异峰值降低,降低子模块间电容电压的波动差异,从而降低了整体的纹波水平。最后,提出一种二倍频环流和三倍频电压耦合注入的电容电压波动整体抑制策略。解析了二倍频环流和三倍频电压的相互作用机理,针对桥臂瞬时功率中的基频分量和二倍频分量进行抑制,与现有策略相比能够更大程度的降低电容电压波动。

关键词：混合mmc 子模块电容器二倍频环流注入三倍频电压注入过调制电容电压波动抑制

混合mmc柔性直流输电系统源侧限流方案及可靠性研究

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混合MMC柔性直流输电系统源侧限流方案及可靠性研究

作者：井皓华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

模块化多电平换流器(mmc-HVDC)与传统高压直流输电(HVDC)相比,可实现四象限独立功率控制,无换相失败等优点;与两、三电平柔性直流输电(VSC-HVDC)相比,采用子模块级联方式,避免了功率器件压接式串联导致的触发一致性和短路失效等问题。MM... 详细信息

模块化多电平换流器(mmc-HVDC)与传统高压直流输电(HVDC)相比,可实现四象限独立功率控制,无换相失败等优点;与两、三电平柔性直流输电(VSC-HVDC)相比,采用子模块级联方式,避免了功率器件压接式串联导致的触发一致性和短路失效等问题。mmc-HVDC非常适用于区域电网间互联以及新能源并网等应用场合,具有广阔的直流应用前景对我国电网发展意义重大。采用架空线路的mmc-HVDC面临直流故障电流快速可靠清除的问题,换流器可靠性分析是另一个重要研究点。针对上述问题,论文将分别从故障控制方法和可靠性分析角度对混合mmc柔性直流输电系统加以分析。首先从混合mmc的稳态基本运行原理出发,分析其子模块初始基本配比,以保证换流器具有足够的直流电压控制能力;分析混合换流站在故障穿越期间的定电流控制能力与实现方法,通过合理投切全桥子模块实现源侧故障电流控制能力。针对由半全混合换流站组成的四端柔性直流电网,分析其故障后故障电流放电规律和特性,结论认为故障线路近端换流站是故障线路电流的主要来源,通过故障线路近端换流站的控制配合,具备切除故障线路电流的可行性。针对半全混合直流电网的故障特性分析,提出一种半全混合换流站故障电流穿越控制策略。通过利用故障线路近端换流站控制故障线路电流,其原理在于换流站对外输出负电平,从而将远端馈入的故障电流吸引至换流站内,并且将故障线路电流动态控制至零。该方案可以实现不依赖直流断路器的直流侧故障清除。为进一步提升方案可靠性,还研究考虑分断失败时的协调配合,有效的保护换流站安全运行。针对半全混合换流站的可靠性研究是其直流故障清除成功可能的基础。首先,在考虑子模块相关性直接耦合的情况下建立混合mmc的可靠性函数,分析子模块冗余配置对半全混合mmc可靠性的影响。其次,通过坐标变换将子模块相关性解耦,进行半全混合mmc可靠性建模以及分析。再次,利用半全混合mmc可靠性的计算结果,分别讨论在IGBT数目和可靠性两种约束条件下的冗余子模块的配置方案。最后,提出按照相等的可靠性微增率的原则配置冗余子模块,实现换流器可靠性最高和冗余子模块成本最低的约束目标。

关键词：混合mmc 柔性直流电网限流方案可靠性冗余配置方案

直流故障自清除混合mmc及多端混合多电平变换器的研究

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直流故障自清除混合MMC及多端混合多电平变换器的研究

作者：付坚华南理工大学

学位级别：硕士

包括分布式发电、储能装置和电动汽车在内的分布式电源的大规模接入,将显著改变电网结构,给电网的安全稳定运行带来一系列影响。作为分布式电源并网的接口,多电平变换器得到广泛应用,尤其是高性能多电平变换器的涌现为分布式电源大规模... 详细信息

包括分布式发电、储能装置和电动汽车在内的分布式电源的大规模接入,将显著改变电网结构,给电网的安全稳定运行带来一系列影响。作为分布式电源并网的接口,多电平变换器得到广泛应用,尤其是高性能多电平变换器的涌现为分布式电源大规模无缝并网提供了契机。未来电网定将会呈现为一个以高性能多电平变换器为构架,具有储能功能,分布式发电高渗透的智能电网。然而,随着智能电网中柔性直流输电和分布式电源技术的发展,柔性直流输电直流故障自清除问题和分布式电源并网的多端变换器问题日益凸显。为了解决这两个问题,本文对现有的多电平变换器进行改造,提出了具有直流故障自清除能力的混合mmc和多端混合多电平变换器两类混合多电平变换器拓扑,并对其工作原理、波形调制及直流电容电压均衡进行了深入细致的研究。首先,针对柔性直流输电直流故障自清除问题,本文提出了桥臂非对称的混合mmc、交流侧级联H桥的混合mmc和直流侧级联H桥的混合mmc三种直流故障自清除的混合mmc拓扑,并阐述了它们的工作原理。对于桥臂非对称的混合mmc,研究了其PSC-PWM调制方法与直流电容电压排序均衡方法;对于交流侧级联H桥的混合mmc,研究了其混合调制方法、级联H桥的调幅和移相两种能量均衡方法及直流电容电压排序均衡方法;对于直流侧级联H桥的混合mmc,研究了其混合调制方法、级联H桥的PI反馈调节能量均衡方法及直流电容电压排序均衡方法。仿真结果验证了提出的直流故障自清除的混合mmc电路及其控制方法的正确性,表明它们具有良好的动态运行和直流故障自清除特性。然后,针对分布式电源并网的多端变换器问题,本文提出了交流侧级联H桥的九开关混合变换器和九开关组混合mmc变换器两种多端混合多电平变换器拓扑,并阐述了它们的工作原理。对于交流侧级联H桥的九开关混合变换器,研究了其混合调制方法;对于九开关组mmc,研究了其PSC-PWM调制方法。仿真结果验证了提出的多端混合多电平变换器电路及其控制方法的正确性最后,本文给出了直流故障自清除的混合mmc在柔性直流输电中的单极系统、双极系统与三极系统三种应用构架,并探讨了直流电容预充电和直流故障自清除过程;给出了多端混合多电平变换器在分布式电源接入交、直流电网中应用构架,并介绍了分布式电源的独立运行与互补运行。这对推广所提出的混合多电平变换器在智能电网中的应用具有重要意义。

关键词：混合多电平变换器混合mmc 多端变换器直流故障自清除混合调制直流电容电压均衡

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具有直流故障自清除能力的改进电容型子模块

高电压技术 2021年第12期47卷 4510-4517页

作者：罗雍溢王渝红宋瑞华毕经天叶葳闵杨晰四川大学电气工程学院成都610065 中国电力科学研究院有限公司北京100192

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)在柔性直流输电领域应用广泛,但传统的半桥型子模块(half-bridge sub-module,HBSM)不具备直流侧故障自清除的能力。为此,提出一种具备直流侧故障自清除能力的改进电容型子模块拓... 详细信息

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)在柔性直流输电领域应用广泛,但传统的半桥型子模块(half-bridge sub-module,HBSM)不具备直流侧故障自清除的能力。为此,提出一种具备直流侧故障自清除能力的改进电容型子模块拓扑结构,分析了新型子模块的基本结构及工作原理;根据子模块闭锁后的系统等效电路,阐述了新型子模块的故障阻断机理;为兼具故障自清除与低损耗的特点,给出了新型子模块与HBSM混合的mmc桥臂设计方案;并从器件耐压水平及经济性两个方面,与常见的子模块做详细比较分析;最后在PSCAD/EMTDC中搭建了双端mmc系统对提出的子模块特性进行了仿真验证。仿真结果表明,直流侧故障后的故障电流在子模块闭锁后能迅速清零,验证了所提子模块直流侧故障自清除的有效性。

关键词：柔性直流输电改进电容型子模块直流故障自清除能力经济性混合mmc

具有直流侧故障自清除能力的多端高压变换器设计

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具有直流侧故障自清除能力的多端高压变换器设计

作者：焦路赟华南理工大学

学位级别：硕士

多端口变换器是指能够连接多个端口、实现多个端口之间的功率变换和能量传递的变换器。多端口变换器通过器件的复用减小了变换器使用器件的数目从而达到了减小变换器的体积和成本的目的。多端口变换器在新能源发电并网、微电网、智能电... 详细信息

多端口变换器是指能够连接多个端口、实现多个端口之间的功率变换和能量传递的变换器。多端口变换器通过器件的复用减小了变换器使用器件的数目从而达到了减小变换器的体积和成本的目的。多端口变换器在新能源发电并网、微电网、智能电网和柔性直流输电技术等领域有着广泛的应用前景。而目前关于多端口变换器的研究主要集中于低压小容量的多端口变换器,能够应用于中高压大功率场合的多端口变换器的设计仍然较少,技术细节并不完善。高压大功率多端口变换器的直流侧阻尼较小,故障扩展速度较快,当高压多端口变换器的直流侧发生短路故障时,会对系统造成很大的损坏,因此有必要研究具有直流侧故障自清除能力的多端口高压变换器。本文以九开关组变换器为研究对象,具体工作如下:(1)首先介绍了4种基本子模块,包括不具备提供反向电压能力的半桥子模块(Half Bridge Sub-module,HBSM)和具备提供反向电压能力的全桥子模块(Full Bridge Submodule,FBSM)、箝位双子模块(Clamp Double Sub-module,CDSM)和改进复合子模块(Improved Hybrid Sub-module,IHSM)。然后通过分析九开关组变换器发生直流侧双极性短路故障时的等效电路,得到九开关组变换器短路时影响短路电流的电气量。接着基于子模块的特性,提出了基于HBSM和FBSM的混合九开关组变换器和基于FBSM和CDSM(IHSM)的改进型混合九开关组变换器。(2)介绍了混合九开关组变换器的基本拓扑,提出了混合九开关组变换器的控制原理和调制方法,建立了桥臂在闭锁时的等效电路,研究了混合九开关组变换器闭锁时短路电流在变换器内部潜在流通路径,分析了混合九开关组变换器中各桥臂中混合子模块数目的配比。此外,考虑经济性,通过替换变换器中的FBSM得到了单极型混合九开关组变换器。通过仿真验证了混合九开关组变换器的拓扑的可行性,及该变换器清除直流侧故障的能力。(3)介绍了改进型混合九开关组变换器的基本拓扑。针对改进型混合九开关组变换器拓扑的特点,得到了桥臂中子模块的配比。通过仿真验证拓扑的可行性和直流侧故障自清除能力。最后将本文提出的九开关组变换器与传统的两端口变换器进行比较,说明混合九开关组变换器和改进型混合九开关组变换器的优越性。

关键词：高压多端口变换器混合mmc 直流侧故障自清除子模块

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混合型多电平换流器的可靠性分析

混合型多电平换流器的可靠性分析

作者：徐莹华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

柔性直流输电技术以其有功无功独立控制,没有换相失败等优点,在未来的直流输电场合展示出更加广阔的应用前景。柔性直流输电技术在近几年得到了快速发展,其中,混合型多电平换流器以其具有直流故障自关断能力和良好的经济性,在柔性直流... 详细信息

柔性直流输电技术以其有功无功独立控制,没有换相失败等优点,在未来的直流输电场合展示出更加广阔的应用前景。柔性直流输电技术在近几年得到了快速发展,其中,混合型多电平换流器以其具有直流故障自关断能力和良好的经济性,在柔性直流输电领域得到深入研究。换流器可靠性分析是混合型多电平换流器一个重要研究点,也是混合型多电平换流器模块最优冗余配置的重要参考因素之一。针对上述问题,论文将分别从古典概型角度和分布函数角度对混合型多电平换流器的可靠性加以分析。首先对混合型多电平换流器的概念及分类方法加以阐述,即混合型多电平换流器包括混合模块化多电平换流器(Hybrid Modular Multilevel Converter,Hybrid mmc)、桥臂交替导通换流器(Alternate Arm C onverter,AAC)和混合级联多电平换流(Hybrid Cascaded Multilevel Converter,HCMC),并展示上述三种换流器的拓扑,进一步结合拓扑分析其稳态工作原理和暂态闭锁原理,并据此设计模块初始配置数目。然后从古典概型的角度,假设各子模块的可靠性保持不变,且模块间相互独立,建立可靠性分析模型,依次分析混合模块化多电平换流器中不同类型子模块的冗余数目配置对换流器可靠性的影响,桥臂交替导通换流器中的导通开关模块和整形电路子模块不同冗余配置数目对换流器可靠性的影响,混合级联多电平换流器中的导通开关模块和整形电路子模块对换流器可靠性的影响。在可靠性分析的基础上,分析器件的有效利用率以衡量经济性,设计三种换流器的最优冗余配置并加以对比,为实际工程的冗余配置提供参考和借鉴。最后,从分布函数的角度,假设各子模块的可靠性随时间变化,且考虑了子模块间的相关性,并以混合型多电平换流器中的混合mmc为例,基于Copula理论和Copula函数建立可靠性模型,分析子模块间的相关程度和冗余配置对换流器可靠性的影响。

关键词：混合mmc 桥臂交替导通换流器混合级联多电平换流器可靠性最优冗余配置相关性