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等频工况下模块化多电平矩阵变换器电容电压控制

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控制工程 2022年第10期29卷 1841-1849页

作者：罗 袁星杨子寅郑常宝上海理工大学机械工程学院上海200093 安徽大学安徽省工业节电与电能质量控制协同创新中心安徽合肥230000

面向交流输电系统的模块化多电平矩阵变换器(M~3C)具有任意功率因数输入、任意幅值、频率、相位输出以及电平阶跃幅值低等优点。然而,等频工况下M~3C电容电压会产生幅值较大的振荡,影响其安全稳定运行。提出一种等频工况下M~3C电容电压... 详细信息

面向交流输电系统的模块化多电平矩阵变换器(M~3C)具有任意功率因数输入、任意幅值、频率、相位输出以及电平阶跃幅值低等优点。然而,等频工况下M~3C电容电压会产生幅值较大的振荡,影响其安全稳定运行。提出一种等频工况下M~3C电容电压波动抑制方法,通过叠加共模电压和注入环流与系统固有直流偏置分量相互抵消,解决等频工况下M~3C电容电压低频振荡的问题。由45个子模块组成的M~3C仿真模型验证了所提电容电压波动抑制方法的可行性和有效性。

关键词：模块化多电平矩阵变换器相似/等频工况闭环控制电容电压波动抑制 Dual-αβ变换

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混合MMC电容电压波动差异机理及抑制策略

电力系统自动化 2019年第17期43卷 92-101页

作者：陆锋李钰樊强赵成勇许建中屈海涛新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市102206 北京市直流输配电工程技术研究中心(中电普瑞电力工程有限公司) 北京市102200

降低模块化多电平换流器(MMC)中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对子模块电容器容值、体积、成本的需求,具有重要的研究价值。文中首先分析了混合MMC过调制下半桥子模块与全桥子模块的电容电压波动特性以及两种子模块间的波动差异产生... 详细信息

降低模块化多电平换流器(MMC)中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对子模块电容器容值、体积、成本的需求,具有重要的研究价值。文中首先分析了混合MMC过调制下半桥子模块与全桥子模块的电容电压波动特性以及两种子模块间的波动差异产生机理,确定波动差异对应的能量积累区间。然后分类讨论三次谐波电压注入后桥臂参考电压的极值点分布和过零点分布,建立三次谐波电压注入系数、调制比与波动差异抑制能力的关系。在此基础上,以减少半桥子模块与全桥子模块电容能量积累差异为目标,对三次谐波电压注入量进行优化设计,提出了基于三次谐波注入优化的子模块电容电压波动差异抑制策略,并给出电容容值降低的计算示例。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方法的有效性。

关键词：模块化多电平换流器子模块电容器过调制波动差异三次谐波电压注入电容电压波动抑制

八开关三相逆变器-感应电机传动系统直接转矩控制算法

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电工技术学报 2018年第6期33卷 1293-1301页

作者：唐启迪葛兴来刘勇超张呈象西南交通大学磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室成都610031 西南交通大学电气工程学院成都610031

提出一种抑制直流侧电容电压波动的八开关三相逆变器(ESTPI)-感应电机(IM)传动系统直接转矩控制(DTC)算法。首先,详细分析在ESTPI各扇区内,电机转矩、磁链以及直流侧两电容电压的大小随所施加的基本电压矢量的变化情况。为实现在控制电... 详细信息

提出一种抑制直流侧电容电压波动的八开关三相逆变器(ESTPI)-感应电机(IM)传动系统直接转矩控制(DTC)算法。首先,详细分析在ESTPI各扇区内,电机转矩、磁链以及直流侧两电容电压的大小随所施加的基本电压矢量的变化情况。为实现在控制电机磁链和转矩的同时平衡直流侧两电容电压的目标,设计新的矢量选择开关表。然后,在传统DTC系统转矩、磁链滞环调节器的基础上增加电容电压滞环调节器,用滞环调节器直接控制ESTPI的开关状态。最后,通过仿真和实验验证了所提算法的正确性和有效性。

关键词：八开关三相逆变器感应电机直接转矩控制开关表电容电压波动抑制

分布式储能型模块化多电平换流器阀控策略研究

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分布式储能型模块化多电平换流器阀控策略研究

作者：汪晋安华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

新能源出力的间歇性和随机性会引起新能源并网功率波动,对电网稳定运行带来不利影响。储能技术的出现可以弥补新能源自然特性的缺陷,将新能源发电与大容量储能装置相结合,安全高效的消纳高比例新能源。因此,储能装置在新能源系统中的作... 详细信息

新能源出力的间歇性和随机性会引起新能源并网功率波动,对电网稳定运行带来不利影响。储能技术的出现可以弥补新能源自然特性的缺陷,将新能源发电与大容量储能装置相结合,安全高效的消纳高比例新能源。因此,储能装置在新能源系统中的作用日益凸显,具备储能功能的柔直换流器随之受到广泛关注,锂电池储能型模块化多电平换流器(modular multilevel converter with battery-based energy storage system,MMC-BESS)(以下简称储能型MMC)凭借可靠外送新能源,四象限调节有功、无功、储能充放电功率,参与调峰调频,主动支撑交流电压等显著优势,成为新能源外送具有潜力的装置。论文从储能型MMC数学模型和阀控策略出发开展相关研究工作,为储能型MMC在电力系统的应用提供理论基础和模型支撑。首先,为直观反映储能型MMC系统运行规律和分析影响电容电压和电池电流波动因素,建立一种基于模态划分的储能型MMC时域解析模型。将开关函数、平均值法和元件伏安特性相结合,耦合子模块不同工作状态和模式,建立储能型MMC时域解析模型。通过分析时域解析表达式反映子模块电容电压和电池电流的波动特征和影响因素。其次,为提高电池的能量利用率和解决电池因制造工艺、循环充放电次数不同以及老化程度不相同等因素导致的荷电状态(state of charge,SOC)极度不均衡问题,提出一种兼顾电流波动抑制的储能型MMC的电池SOC均衡优化控制策略。为准确控制充放电功率采用双环控制,外环针对相间、桥臂间和子模块间电池SOC差异,建立离散时域预测功率模型;内环设计了模型预测优化控制策略,可准确追踪动态电流参考值,实现电池SOC均衡、提高电池能量利用率,并提高系统的动态响应能力以及抑制电池电流纹波,延长电池使用寿命。最后,在上述研究的基础上,为轻型化储能型MMC体积和重量以及降低换流站的建设成本,提出一种抑制电容电压波动的储能型MMC耦合谐波在线注入优化控制策略。建立考虑风功率波动和二次谐波电压的储能型MMC桥臂功率数学模型,并提出耦合谐波的约束条件。在此基础上,基于粒子群优化算法提出以最小化桥臂功率波动的基频和二次谐波分量为目标在线优化耦合谐波参数方法,得到不同工况下耦合谐波的近优参数,实现对桥臂功率、电容电压和电池电流波动的抑制。

关键词：储能型模块化多电平换流器阀控策略时域解析模型荷电状态均衡电容电压波动抑制

抑制MMC子模块电容电压波动的谐波注入策略

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抑制MMC子模块电容电压波动的谐波注入策略

作者：邓伟成华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

在高压直流输电领域,模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）因其具有模块化设计、无换相失败等特点而受到广泛的关注。然而相同容量下MMC相较于传统电流源型换流器,存在体积重量大的问题。远海风电经MMC送出是目前工... 详细信息

在高压直流输电领域,模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）因其具有模块化设计、无换相失败等特点而受到广泛的关注。然而相同容量下MMC相较于传统电流源型换流器,存在体积重量大的问题。远海风电经MMC送出是目前工程中的主流方案。MMC子模块电容占子模块体积的1/2以上、成本的1/3左右。降低MMC的体积和重量有助于降低海上平台和换流站本身的建设成本。通过谐波注入策略抑制电容电压波动以减少电容容值设计需求是MMC轻型化的主要思路。然而现有策略的电容电压波动抑制效果仍有提高空间。然而,现有策略只关注于分析稳态工况下谐波注入策略的效果,忽略了交流暂态特性对稳态策略的影响。针对上述问题,论文从稳态和暂态两个层面开展了相关研究工作,内容如下:首先,提出稳态MMC二次谐波电流注入策略和耦合谐波注入策略,其中耦合谐波注入策略为二次谐波电流与三次谐波电压注入策略的结合;介绍了二次谐波电流注入后和耦合谐波注入后的桥臂功率建模过程,给出两种策略谐波注入参数的优化选取原则;针对耦合谐波注入策略,对比了有无二次谐波电压的桥臂功率模型精度,分析了二次谐波电流和三次谐波电压注入的各自约束条件;通过PSCAD/EMTDC仿真验证,两种策略均有效地抑制电容电压波动。在半桥MMC场景下,两种策略对于电容电压波动的抑制效果基本相同。在半全子模块混合型MMC场景下,耦合谐波注入策略能进一步提高电容电压波动的抑制效果。其次,提出一种单相接地故障下MMC二次谐波电流注入策略。分析发现稳态策略在故障工况时存在子模块过电压风险;建立了暂态下二次谐波注入的MMC桥臂功率波动的数学模型;基于所建数学模型给出了二次谐波电流幅值相位的优化选取原则并给出故障后电容电压波动抑制效果的评价方法;经PSCAD/EMTDC仿真模型验证,所提策略能有效抑制单相接地故障后MMC三相子模块电容电压波动。最后,基于所提稳态耦合谐波注入策略,提出一种单相接地故障下MMC耦合谐波注入策略。推导单相接地故障后耦合谐波注入的桥臂功率波动模型,并分析了稳态耦合谐波注入策略在单相接地故障工况下的适应性;给出了单相接地故障工况下的谐波注入参数选取原则;仿真结果表明所提策略能有效单相接地故障后MMC三相子模块电容电压波动。

关键词：二次谐波电流注入三次谐波电压注入电容电压波动抑制 MMC 单相接地故障

三相六桥臂模块化多电平矩阵变换器控制策略的研究

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三相六桥臂模块化多电平矩阵变换器控制策略的研究

作者：曹保勤天津大学

学位级别：硕士

三相六桥臂模块化多电平矩阵变换器(Hexagonal Modular Multilevel Matrix Converter,简称Hexverter)作为一种新型的交-交变换器,在电机变频调速、交流输电尤其是海上风电并网等领域具有广泛的应用前景。本文以Hexverter为研究对象,针... 详细信息

三相六桥臂模块化多电平矩阵变换器(Hexagonal Modular Multilevel Matrix Converter,简称Hexverter)作为一种新型的交-交变换器,在电机变频调速、交流输电尤其是海上风电并网等领域具有广泛的应用前景。本文以Hexverter为研究对象,针对纹波分析、电容电压平衡等问题展开研究,主要内容包括:(1)分析Hexverter的工作原理和运行特征。首先阐述了全桥子模块的五种工作模式并建立了Hexverter的数学模型。其次推导了桥臂功率和电容电压纹波表达式,并详细分析了桥臂功率的各频率分量及电容电压纹波的影响因素,得出输出低频和两侧趋近同频工况下电容电压波动大,甚至会影响系统的稳定运行。最后论述了载波层叠调制、载波移相调制和最近电平逼近这三种调制的工作原理和优缺点。(2)提出状态误差反馈控制策略。以输入电流、输出电流、环流、桥臂电容电压均值为状态变量建立Hexverter的状态空间模型,在此基础上设计了状态误差反馈控制器,并通过Lyapunov理论证明其具有一致渐近稳定性,且通过仿真验证了状态误差反馈控制策略的有效性和正确性。(3)在等频工况下采用高频信号注入法抵消差频功率,降低了电容电压波动幅值。首先根据低频功率分量在相邻桥臂间大小相等、方向相反的特点,提出注入高频共模电压和环流的方法,抵消了桥臂的差频功率分量,极大降低了电容电压波动幅值。其次为减小因共模电压和环流引入的电容电压纹波,提出依据工况计算注入共模电压最优幅值的方法,并通过仿真验证了所提控制策略的有效性和正确性。(4)实验验证。基于以上研究,本文搭建了一台Hexverter的实验系统,通过实验验证了系统的有效性和可行性。

关键词：三相六桥臂模块化多电平矩阵变换器状态误差反馈控制高频注入法电容电压波动抑制

混合型MMC降低子模块电容电压波动的优化策略

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电力建设 2019年第4期40卷 110-118页

作者：陆锋李钰许建中赵成勇屈海涛新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市102206 北京市直流输配电工程技术研究中心(中电普瑞电力工程有限公司) 北京市102200

模块化多电平换流器(multilevel modular converter,MMC)在高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)领域得到了广泛的应用。由半桥以及全桥子模块构成的MMC因具备主动使换流器直流侧输出极间零电压以适应短路故障条件的能力,引... 详细信息

模块化多电平换流器(multilevel modular converter,MMC)在高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)领域得到了广泛的应用。由半桥以及全桥子模块构成的MMC因具备主动使换流器直流侧输出极间零电压以适应短路故障条件的能力,引起了国内外学者的广泛关注。首先,从混合型MMC的开关函数角度出发,对理想情况下混合型MMC进行建模,建立了子模块电容电压基频、二倍频波动数学模型,并提出单位降容比的概念,研究了调制比对子模块电容电压波动的影响。其次,提出提高调制比的抑制子模块电容电压波动配合策略,有效降低子模块电容电压波动。在此基础上,提出基于三次谐波注入的新增半桥子模块数目优化方法,减少半桥子模块的新增数目,解决了单纯提高变比带来的全桥电容电压降落的副作用。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端±160 kV混合型MMC的仿真模型,验证了所提降容策略的正确性和有效性。

关键词：混合型MMC 电容电压波动抑制过调制三次谐波注入优化

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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

一种基于环流注入的全桥型MMC降容优化设计

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电力电容器与无功补偿 2023年第3期44卷 112-118页

作者：杨贵军莫云晓龙英云常立国中国南方电网超高压输电公司天生桥局贵州兴义562400 西安西电电力系统有限公司西安710077

为降低全桥型MMC各子模块电容体积,提高全桥型MMC功率密度,基于调制比和环流对电容电压波动影响机理,提出一种特定相位及幅值环流注入的方法,降低了各子模块滤波电容电压波动。为验证所提方法的正确性,在额定工况及单位功率因数条件下,... 详细信息

为降低全桥型MMC各子模块电容体积,提高全桥型MMC功率密度,基于调制比和环流对电容电压波动影响机理,提出一种特定相位及幅值环流注入的方法,降低了各子模块滤波电容电压波动。为验证所提方法的正确性,在额定工况及单位功率因数条件下,对所提方法进行了仿真实验,仿真结果表明,采用新的降容措施后,电容电压波动范围缩小20%,纹波系数减小至30%,电容容量减小20%。

关键词：全桥型MMC 子模块电容电容电压波动抑制环流注入