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基于能量分析的MMC-STATCOM电容电压三级平衡控制

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高电压技术 2018年第7期44卷 2222-2230页

作者：刘星汤自安张凯兰州交通大学自动化与电气工程学院

为实现模块化多电平变流器（MMC）作为电网静止同步补偿器（STATCOM）进行无功补偿的目的,同时满足各模块电容电压平衡的要求,可以采用三级能量平衡控制策略。首先对MMC中相与相之间、上桥臂与下桥臂之间、子模块与子模块之间能量变换... 详细信息

为实现模块化多电平变流器（MMC）作为电网静止同步补偿器（STATCOM）进行无功补偿的目的,同时满足各模块电容电压平衡的要求,可以采用三级能量平衡控制策略。首先对MMC中相与相之间、上桥臂与下桥臂之间、子模块与子模块之间能量变换和转移机理及特性进行了深入分析。详细探讨了影响MMC能量平衡的决定因素;又采用了基于准PR控制器的二倍频环流抑制策略抑制环流;在此基础上,借鉴了三级能量平衡控制策略,实现了电容电压的平衡控制。仿真结果表明：通过对MMC内部能量平衡控制,能够减缓系统遭受相间负载不平衡大扰动后的电容电压波动,从而避免由于三相不平衡所引起的STATCOM脱网运行事故。采用所提的电容电压平衡控制策略可以有效提高MMC-STATCOM的安全稳定运行能力。

关键词：模块化多电平变流器静止同步补偿器能量转移分析三级能量平衡控制电容电压平衡控制

双极性输出模块化多电平换流器型直流变压器及控制技术研究

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双极性输出模块化多电平换流器型直流变压器及控制技术研究

作者：王甫东华大学

学位级别：硕士

近年来,随着可再生新能源的不断发展以及大规模的直流负荷接入电网,直流电网技术逐渐成为国内外广泛关注的热点之一。在直流电网中,直流变压器(DCT)承担着电压变换、电能传输以及互联组网的作用。随着模块化多电平换流器(MMC)技术在直... 详细信息

近年来,随着可再生新能源的不断发展以及大规模的直流负荷接入电网,直流电网技术逐渐成为国内外广泛关注的热点之一。在直流电网中,直流变压器(DCT)承担着电压变换、电能传输以及互联组网的作用。随着模块化多电平换流器(MMC)技术在直流变换领域的发展,MMC型DCT凭借着耐压能力强、可靠性高等优势,在直流电网中有着良好的应用前景。目前,无论是高压输电网还是低压配电网通常包括单极接线结构和双极接线结构,相较于单极接线结构的直流电网,双极接线结构的直流电网具备更高的供电可靠性。现有的MMC型DCT通常适用在单极接线结构的直流电网中,本文针对单极接线结构的直流电网和双极接线结构的直流电网之间的功率传递,提出了中低压配用电系统和高压输电系统两种场景下的双极性输出MMC型DCT拓扑,以及相应的控制技术,主要的研究内容如下:(1)推导了MMC型DCT的功率传输及控制模型。分析了采用方波调制策略的MMC型DCT内部功率传递,并阐述其桥臂内子模块电容电压自平衡的机制。给出了一种采用准方波调制策略的MMC型DCT的桥臂内子模块电容电压自适应平衡控制算法,建立了MMCHB型DCT的仿真模型,验证了子模块电容电压自适应平衡控制算法的有效性。(2)提出一种适用于中低压直流配用电系统场景下的双极性输出MMC-HB型DCT拓扑和控制策略。分析了双极性输出MMC-HB型DCT低压侧正、负极端口电压自平衡的机理,基于工作模态分解和瞬时电流计算,分析了采用准方波调制策略的双极性输出MMCHB型DCT的功率传输特性;研究了低压侧开关器件的电流应力并设计了关键器件的参数;针对低压侧主回路器件的杂散电阻引起的正、负极端口电压差异,提出了基于调节开关器件占空比的正、负极端口均压控制策略。基于双极性输出MMC-HB型DCT的仿真模型,验证了整体控制策略的有效性。(3)提出一种适用于高压直流输电系统场景下的双极性输出MMC-MMC型DCT拓扑和控制策略。基于系统的工作模态分解和瞬时电流计算,给出了采用准方波调制策略的双极性输出MMC-MMC型DCT的功率传输表达式;推导了双极性输出MMC-MMC型DCT的小信号数学模型,并基于小信号数学模型以及控制系统的稳定性要求,设计了电网互联场景下的定功率控制模式和新能源汇集场景下的定电压控制模式以及相应控制器的参数;分析了双极性输出MMCMMC型DCT在断线故障运行工况下的电气特性,提出一种桥臂间移相调制策略,实现了在双极性输出MMC-MMC型DCT的一次交流侧主动注入直流电流来抑制隔离变压器的直流偏磁现象。建立了双极性输出MMC-MMC型DCT的仿真模型,验证了两种控制模式以及断线故障运行工况的容错运行方案的有效性。

关键词：准方波调制双极性输出模块化多电平换流器直流变压器电容电压平衡控制

基于换流角的桥臂交替导通多电平换流器电容电压控制

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电力系统自动化 2016年第13期40卷 71-76,113页

作者：冯亚东汪楠楠卢宇陈勇清华大学电机工程与应用电子技术系北京市100086 南京南瑞继保电气有限公司江苏省南京市211102

桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的桥臂由多个全桥子模块和带有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联,通过上下桥臂轮流导通来输出多电平的正弦波。如何维持AAMC子模块电容电压稳定是AAMC研究的难点。从桥臂能量平衡的概念出发... 详细信息

桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的桥臂由多个全桥子模块和带有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联,通过上下桥臂轮流导通来输出多电平的正弦波。如何维持AAMC子模块电容电压稳定是AAMC研究的难点。从桥臂能量平衡的概念出发,建立了在特定角度进行上下桥臂换流实现桥臂子模块电容电压控制的能量平衡方程,提出了换流角的计算方法。通过桥臂最大导通电压的研究,提出了两个换流角的解与无功功率的互补特性。依据无功方向优化选择换流角,有效降低了桥臂最大导通电压,减少了桥臂所需子模块的数量。通过换流角与电容电压耦合机理研究,提出了局部线性化的电容电压一阶模型,以此为基础提出了换流角前馈与比例—积分(PI)控制相结合的电容电压控制策略,既提高了控制响应的快速性,又保证了电容电压的稳定性。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了基于换流角的子模块电容电压控制方法的有效性。

关键词：电压源换流器型高压直流输电桥臂交替导通多电平换流器能量平衡方程电容电压平衡控制控制策略

一种单相级联H桥整流器SVPWM及其电容电压平衡控制方法

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铁道学报 2016年第7期38卷 26-33页

作者：王顺亮宋文胜冯晓云西南交通大学电气工程学院四川成都610031 西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

为了满足高速列车轻量化、高速化的发展需求,以多电平变流器为核心的电力电子变压器取代笨重的工频牵引变压器成为当前电力牵引传动系统领域的研究热点。本文以电力电子变压器的牵引传动系统前端级联H桥整流器(CHBR)为研究对象,提出了... 详细信息

为了满足高速列车轻量化、高速化的发展需求,以多电平变流器为核心的电力电子变压器取代笨重的工频牵引变压器成为当前电力牵引传动系统领域的研究热点。本文以电力电子变压器的牵引传动系统前端级联H桥整流器(CHBR)为研究对象,提出了一种适用于单相任意单元数级联H桥变流器的通用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法。并给出了各个基本矢量作用时间的计算方法,通过优化矢量作用顺序,使得该调制算法引起的网侧电流畸变较小,各功率器件开关切换次数一致,并且该调制算法本身不会引起直流侧电容电压不平衡。针对其他原因引起的电容电压不平衡问题,提出了一种基于叠加补偿分量调节冗余基本矢量作用时间的SVPWM方法,使得该调制方法具有电容电压平衡能力。计算机仿真和半实物实验都验证了该算法的可行性及直流侧电容电压平衡控制的有效性。

关键词：级联H桥整流器单相 SVPWM 电容电压平衡控制补偿分量

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单相H桥级联型APF模型预测控制方法研究

电网技术 2017年第3期41卷 962-968页

作者：杨兴武雷彪欧阳武周耀上海电力学院电气工程学院上海市杨浦区200090 国网南昌供电公司江西省南昌市330000

针对单相H桥级联型有源电力滤波器(active power filter,APF),提出一种基于模型预测控制的单目标预测控制法。通过建立电流跟踪误差的指标函数,将输出电平作为控制变量,选取使指标函数值最小的输出电平,实现对参考电流的跟踪。结合改进... 详细信息

针对单相H桥级联型有源电力滤波器(active power filter,APF),提出一种基于模型预测控制的单目标预测控制法。通过建立电流跟踪误差的指标函数,将输出电平作为控制变量,选取使指标函数值最小的输出电平,实现对参考电流的跟踪。结合改进的电压排序法,采用子模块电容电压的改进平衡控制策略,实现子模块电容电压平衡,并降低了器件的平均开关频率。对输出电流模型预测控制的稳态误差进行理论分析,探索了系统参数与系统补偿性能的关系。与传统控制方法相比,该方法无需考虑复杂的参数整定与权重系数设计,且具有计算量少与易于数字化实现等优点。搭建了H桥级联型APF仿真平台,仿真结果表明,APF系统可快速补偿中压大容量系统中的谐波电流,具有优越的动、静态性能。

关键词：有源电力滤波器级联型变换器模型预测控制电容电压平衡控制

基于单星MMC的新型STATCOM及其控制策略

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电力系统自动化 2015年第18期39卷 108-113页

作者：王明达梁军王广柱孙景文佟新元张钰莹电网智能化调度与控制教育部重点实验室(山东大学) 山东省济南市250061

通过分析基于级联半桥子模块双星形结构的模块化多电平变换器(MMC)拓扑,提出了一种基于单星形MMC的静止同步补偿器(STATCOM)拓扑结构,并与级联H桥STATCOM等拓扑进行了比较。该拓扑只采用双星MMC的一半,比级联H桥星形STATCOM节省13.4%的... 详细信息

通过分析基于级联半桥子模块双星形结构的模块化多电平变换器(MMC)拓扑,提出了一种基于单星形MMC的静止同步补偿器(STATCOM)拓扑结构,并与级联H桥STATCOM等拓扑进行了比较。该拓扑只采用双星MMC的一半,比级联H桥星形STATCOM节省13.4%的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。采用电流直接控制策略,给出了单星MMC-STATCOM的电容电压多层次控制方案及一种相间电容电压平衡控制改进方案,该方案不需要对零序电压注入量进行复杂计算。此外,还搭建了10kVA实验样机。仿真和实验结果表明,所提的单星MMC-STATCOM具有优良的动静态特性,验证了所提控制方案的可行性和有效性。

关键词：模块化多电平变换器静止同步补偿器电容电压平衡控制零序电压单星形结构

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模块化多电平变换器模型预测控制

中国电机工程学报 2016年第5期36卷 1366-1375页

作者：何志兴罗安熊桥坡马伏军雷博周乐明国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学) 湖南省长沙市410082 中国船舶重工集团第七二二研究所湖北省武汉市430079 南方电网科学研究院广东省广州市510080

模块化多电平变换器以其优越的性能在中高压大功率电能变换场合得到了广泛的研究和应用。推导了模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的离散状态方程,针对MMC多输入多输出的非线性特性,提出一种基于有限控制集合的简... 详细信息

模块化多电平变换器以其优越的性能在中高压大功率电能变换场合得到了广泛的研究和应用。推导了模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的离散状态方程,针对MMC多输入多输出的非线性特性,提出一种基于有限控制集合的简化模型预测控制,可以有效减少模型预测控制所需的循环计算和预测值计算次数。所提模型预测控制由最优输出电平求解和电容电压平衡控制两部分组成。首先求取满足交流电流和环流控制要求的桥臂输出电压电平,并以此电平及其邻近的电平为有限控制集合,考虑上下桥臂电容电压之和与之差的控制,求得桥臂输出电平最优解;电容电压平衡控制则由电压预测值排序法实现,用电压增量表示附加的开关动作,修正电容电压预测值后再进行排序,实现电压平衡控制并降低平均开关频率。在PSCAD/EMTDC中搭建MMC时域仿真模型,仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

关键词：模块化多电平变换器模型预测控制有限控制集合电容电压平衡控制预测值排序

模块化多电平变流器的子模块分组调制及均压控制

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中国电机工程学报 2016年第1期36卷 145-153页

作者：郭高朋姚良忠温家良国网智能电网研究院北京市昌平区102200 中国电力科学研究院北京市海淀区100192

模块化多电平变流器很容易扩展到更高电压等级的应用场合,但是当子模块数目很多时,桥臂中电容电压的均衡和触发脉冲的分配就变得很复杂,控制系统也因此变得复杂,降低了可靠性,增加了调试的难度。在研究最近电平逼近调制(nearest level m... 详细信息

模块化多电平变流器很容易扩展到更高电压等级的应用场合,但是当子模块数目很多时,桥臂中电容电压的均衡和触发脉冲的分配就变得很复杂,控制系统也因此变得复杂,降低了可靠性,增加了调试的难度。在研究最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)算法的基础上,提出取整修正量移位算法,不同的子模块组采用不同的取整修正量,可以达到类似于载波移相的效果,使桥臂输出电压的畸变很小。分析子模块组电容均压原理,提出两种均压控制方法,并给出这两种方法的适用条件。取整修正量移位算法相当于在调制波中增加了直流分量,可以通过排序算法,控制子模块组之间的电压均衡。仿真结果显示,取整修正量移位算法和均压控制算法能够达到预期效果。

关键词：模块化多电平变流器分组调制最近电平逼近取整修正量移位电容电压平衡控制

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一种新型MMC拓扑的分析与控制

电力自动化设备 2014年第1期34卷 96-101页

作者：杨兴武薛花高淳上海电力学院电气工程学院上海200090 上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海200240

提出新型模块化多电平拓扑,其在传统模块化多电平拓扑的每个桥臂上增加1个H桥单元,实现了输出电平数的大幅增加,H桥单元可调节输出电平数,其直流电压需为模块单元电压的一半。为了实现新型逆变电路的稳定输出,设计了包含基于载波叠加的... 详细信息

提出新型模块化多电平拓扑,其在传统模块化多电平拓扑的每个桥臂上增加1个H桥单元,实现了输出电平数的大幅增加,H桥单元可调节输出电平数,其直流电压需为模块单元电压的一半。为了实现新型逆变电路的稳定输出,设计了包含基于载波叠加的正弦脉冲宽度调制方法和电容电压平衡控制方法的整体控制策略。最后对三相模块化多电平电路进行了仿真验证,仿真结果表明新拓扑可将输出电平数由2n+1提升至4n+1,控制策略实现了电容电压的稳定。新拓扑及其控制策略的有效性得到了验证。

关键词：模块化多电平换流器拓扑结构电容电压平衡控制调制策略