模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析_张建坡(改进复合型)
一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑
一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑
赵成勇;李路遥;翟晓萌;杨柳
【期刊名称】《南方电网技术》
【年(卷),期】2012(6)6
【摘 要】模块化多电平换流器(MMC)采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块(半桥、全桥结构子模块)的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25%的 IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制(nearest level modulation,
NLM)策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在 PSCAD 仿真环境中搭建基于NLM 的11电平两端 MMC-HVDC 输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。
【总页数】5页(P62-66)
【作 者】赵成勇;李路遥;翟晓萌;杨柳
【作者单位】华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 昌平区 102206;华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 昌平区 102206;华北电力大学
新能源电力系统国家重点实验室,北京 昌平区 102206;华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 昌平区 102206
【正文语种】中 文 【中图分类】TM46
【相关文献】
1.基于模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制 [J], 郑征;崔灿;张朋
2.一种模块化多电平换流器新型子模块拓扑 [J], 任洪强;甘子松;伍宇翔;黄冠灵;
3.一种新型的n+1混合式模块化多电平换流器拓扑结构及其控制策略 [J], 缪惠宇;梅军;张宸宇;郑建勇;梅飞
4.一种模块化多电平换流器新型子模块拓扑 [J], 任洪强;甘子松;伍宇翔;黄冠灵
模块化多电平换流器子模块故障特性分析与解耦控制策略
模块化多电平换流器子模块故障特性分析与解耦控制策略
摘要
华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室、华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室的研究人员范志华、苗世洪等,在2018年第16期《电工技术学报》上撰文,针对模块化多电平换流器(MMC)在子模块故障时桥臂子模块可投入运行数目不相等的情况,建立基于开关函数的桥臂不对称运行数学模型。
基于此数学模型,揭示了上、下桥臂子模块开关函数不一致是导致不对称运行的根本原因。通过借助补偿阻抗以抵消上、下桥臂子模块故障数目不相等导致的不对称分量,将子模块故障下桥臂不对称状态转化为准对称运行状态,进而建立该条件下桥臂交流电流、直流电流和交流环流耦合等效电路,并研究等效电路各次电流之间耦合关系对桥臂内部运行特性的影响。
分析结果表明,桥臂电流将出现基频环流分量,交流电流也会引入因不对称导致的直流电流分量和二倍频电流分量。最后通过建立桥臂电流解耦控制模型,构建不同频率下桥臂电流与电压的映射关系,提出具有子模块故障容错能力的桥臂电流控制策略。在PSCAD/EMTDC中的仿真结果证明了所提控制策略的有效性。
模块化多电平换流器(Modular
Multilevel Converter, MMC)结构采用高度模块化设计,具有易于线性扩展、输出波形质量高[1,2]、开关频率低与故障处理能力强[3,4]等优点,被广泛应用于高压直流输电、大功率电机驱动与海上风电并网等领域。
由于MMC由数量较多子模块(Sub-Module, SM)串联组成,同时子模块采用易损坏的半导体开关器件,导致桥臂易于发生子模块故障[7]。实际工程中常采用一种冗余子模块热备用工作模式以提高MMC子模块故障容错性能[8],冗余子模块热备用工作模式将包含冗余子模块在内的所有子模块投入运行,在子模块故障时通过直接旁路故障子模块,保证MMC不间断工作,该工作模式具有简单可靠、可无缝切换的优点。
模块化多电平换流器HVDC直流双极短路子模块过电流分析
第31卷 第1期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.31 No.1 Jan.5, 2011 2011年1月5日 Proceedings of the CSEE ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1
文章编号:0258-8013 (2011) 01-0001-07 中图分类号:TM 72 文献标志码:A 学科分类号:470⋅40
模块化多电平换流器HVDC
直流双极短路子模块过电流分析
王姗姗1,周孝信1,汤广福1,贺之渊1,滕乐天2,包海龙2
(1.中国电力科学研究院,北京市 海淀区 100192;2.上海市电力公司,上海市 浦东区 200122)
Analysis of Submodule Overcurrent Caused by
DC Pole-to-pole Fault in Modular Multilevel Converter HVDC System
WANG Shanshan1, ZHOU Xiaoxin1, TANG Guangfu1, HE Zhiyuan1, TENG Letian2, BAO Hailong2
(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;
2. Shanghai Municipal Electric Power Company, Pudong District, Shanghai 200122, China)
ABSTRACT: Submodule overcurrent caused by DC
pole-to-pole fault in modular multilevel converter HVDC
(MMC-HVDC) system is one of the important research objects
模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略
模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略
摘要:本文提出了一种基于故障冗余容错控制策略的模块化多电平换流器,该控制策略主要利用仿真分析和故障诊断技术来实现故障发现和修复,从而保证系统稳定性和可靠性。
1.引言
随着电力电子技术的不断进步和应用范围的不断扩大,模块化多电平换流器(Multilevel Modular Converters,MMC)已成为一种广泛应用的电力电子拓扑结构。MMC主要由多个电压等级的子模块单元组成,每个子模块单元的输入端都直接连接到信号源,在输出端与平滑电容串联输出。MMC的优点是可实现各种电压等级的变换,同时也拥有更好的输出波形质量和更高的转换效率。
2.模块化多电平换流器的故障原因及分类
模块化多电平换流器由多个电压等级的子模块单元组成,每个子模块单元的输入端都直接连接到信号源,在输出端与平滑电容串联输出。MMC系统的故障类型可分为电路故障和元器件故障两类。
2.1 电路故障
电路故障通常指电路导致系统不稳定或停机的故障,如控制回路失效、电容失效、短路、开路等。
2.2 元器件故障
元器件故障通常指系统中某种元器件发生故障的情况,如IGBT故障、二极管故障等。同时,由于MMC系统工作时需要承受较高的电压和电流等负荷,元器件故障对系统运行的影响也相对较大。
3.故障冗余容错控制策略
针对MMC系统存在的故障问题,本文提出了一种基于故障冗余容错控制策略的MMC系统安全控制方案。
3.1 控制策略原理
本控制策略主要采用故障冗余容错的思想,即在MMC系统中添加备用单元和备用控制器来实现故障恢复。当MMC系统中某个单元或控制器发生故障时,备用单元和备用控制器将接管原有单元和控制器的工作,从而实现故障的隔离和恢复。
3.2 故障诊断技术 故障诊断是实现故障冗余容错的重要环节,主要包括故障检测、故障定位和故障判断。本文采用电流检测法和模型分析法来进行故障检测和定位,并结合模拟仿真数据对故障进行判断,可以提高故障检测的准确性和可靠性。
关于模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计分析
关于模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计分析
摘要:
本文立足于柔性直流输电的发展概况,简略阐述了本文的研究背景,介绍了MMC基本原理,并从阀组电流保护以及阀组过电压保护两方面内容着手,对模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护设计方案进行了详细分析,旨在为相关研究人员提供参考。
关键词:模块化、柔性直流输电、阀组本体保护
引言:
对于柔性直流输电系统来说,换流器阀组是其中至关重要的设备之一,但其在实际运行的过程中不可避免地会呈现出各种故障,所以应当采取良好的本体保护设计方案,但结合当前的实践应用来看,其在优化设计中还面临着一定的不利因素,基于此,有必要对其展开更加深层次的探索。
一、研究背景
柔性直流输电在当前是众多研究人员所关注的重点和热点内容,其作为一种新型的直流输电技术在一定程度上丰富了行业的技术成果,其在应用的过程中最主要的特点便是通过采用基于全控型器件的脉宽调制技术以及电压源换流器进行直流输电。早在上个世纪七十年代便有专家成功地在直流输电领域实现了对于全控型器件的引入,并率先完成了对于柔性直流输电技术在工程中的应用[1]。美国TRANSBAY工程于2010年11月份正式投入运行,该工程也是全世界范围内第一个基于模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电工程。而在我国范围内最先建成的便是于2011年7月正式投入运行的上海南汇柔性直流输电工程。该柔性直流输电示范工程的成功运行为我国对于该领域的研究奠定了坚实的基础,使得我国范围内开始出现更多的科研单位及科研人员都积极投入到研究柔性直流输电技术的行列中。结合目前来看,业内对于柔性直流输电技术进行研究所得到的成果主要包括以下几种方法,分别为动态物理模拟仿真、实时仿真、离线仿真以及相关理论分析等等[2]。
物理模拟系统本身的物理特性和原型具有一定的一致性,在模型中,其所涉及到的功率、电压以及电流等物理量相对值产生的变化过程基本上能够符合原型系统中这些物理量相对值的变化的过程[3]。与此同时,在理论分析或者是离线仿真两方面,常常会出现忽略电磁特性的问题,而动态模拟的应用可以实现对其更加真实和完整的反映,由此可见,通过动态物理模拟仿真能够将实际系统中具体的运行特性充分展现出来[4]。我国南京南瑞继保电气有限公司基于MMC拓扑构建起了相应的柔性直流输电动态模拟系统,该系统的形成是立足于实际工程,开展对于各种故障以及直流系统、直流电缆、换流阀以及交流系统等的等效模拟工作,通过该模拟系统与高速阀控系统以及柔性直流控制保护系统之间的组合便能够形成纯物理的闭环测试系统,在此基础上进行试验。最终研究成果表明,其在动态特性方面基本上可以同工程现场相一致,能够实现对于具体工程开展过程中各类工况的高质量模拟,并可以呈现出较高的等效性,继而助力后续更好地开展柔性直流输电系统的设计工作[5]。
模块化多电平变换器建模仿真与实现
I 摘要 本文分析了传统的多电平换流器的拓扑结构和优缺点并在此基础上重点对
模块化多电平换流器Modular Multilevel ConverterMMC的拓扑结构及其控制策略进
行了深入研究。 首先介绍了多电平换流器的产生和发展过程阐述了多电平换流器的应用并对几种传统的多电平换流器的拓扑结构进行了对比分析提出了一种新型的模
块化多电平换流器拓扑结构。 本文详细分析了模块化多电平换流器的拓扑结构、子
模块的拓扑结构及其工作机制并以此为基础建立了模块化多电平的开关函数模型和
瞬时功率模型给出了桥臂电容电压波动和子模块电容电压和电流的时域解析表达
式。 以数学模型为基础提出了载波移相正弦脉冲宽度调制技术CPS-SPWM在模块化多电平换流器中的实现方法研究了模块化多电平换流器桥臂子模块电容电压的预
充电策略和电压均衡控制过程。 本文采用PSCAD/EMTDC对模块化多电平换流器
进行建模和仿真分析了模块化多电平的稳态响应特性和动态响应特性验证了本文提
出的控制策略有效性和可靠性并对输出电压进行频谱分析证明载波移相正弦脉冲宽
度调制技术可以通过相互抵消低次谐波有效地实现较高的等效开关频率。在理论分析和软件仿真的基础上本文采用FPGA实现了载波移相脉冲宽度调制技术输出了脉
冲波形并与软件仿真波形进行了对比分析研究表明模块化多电平换流器具有模块化
程度高有效降低主控开关器件电压、电流容量等优点采用载波移相正弦脉冲宽度调
制技术的模块化多电平换流器的等效开关频率高适合应用于高压大功率领域。 关键
词模块化多电平换流器载波移相正弦脉冲宽度调制FPGA II Abstract With the continuous development of power electronics technology high-voltage high-power full-controlled power electronic devices IGBT IGCT have gainedrapid development more and more in-depth research on high-power electronic converter device in large-capacity motor-driven and AC/DC power transmission and other occasions also become very popular. While in high-voltage high-power applications there is a big contradiction between the power devices’ power handling capability and its toggle frequency. Under the premise that the power switching device has no essential breakthrough the multi-level converter is undoubtedly the best choice to solve the high-voltage high-power applications. This paper analyzes the traditional multi-level converter topology and its advantages and disadvantages and on this basis focusing on the topology and control strategy of the modular multi-level converter Modular Multilevel Converter MMC study. This paper firstly introduces the emergence and development of the multi-level converter describes several applications of multi-level converter conducts the comparative analysis on several traditional multi-level converters in topology and then proposes a new modular multi-level converter topology. This paper made detailed analysis of the modular multi-level converter topology and its sub-module’s topology and its working mechanism. Based on the topology and its working mechanism developed the modular multi-level switching function model and give the time-domain analytical expression of bridge capacitor voltage fluctuations and the sub-module’s capacitor voltage and current. Based on the said mathematical model this paper describe how to implement the the carrier phase shift sinusoidal pulse width modulation technique CPS-SPWM in a modular multi-level converter and study the sub-module’s precharge strategy and voltage balance control process. At last In this paper PSCAD / EMTDC is employed to establish the modular multi-level converter model we analyze modular multi-level converter’s steady-state response characteristics and dynamic response characteristics to verify the validity and reliability of the proposed control strategy make the output voltage spectrum analysis to prove that the carrier shift phase sinusoidal pulse width modulation can achieve a high equivalent switching frequency by canceling low harmonics. On the basis of theoretical analysis and software simulation a FPGA-based implementation of the carrier phase pulse width modulation is made which can output PWM pulse waveform. The comparative analysis between the said PWM pulse waveform and the waveform from the PSCAD / EMTDC software proves that the MMC has highly modularity can effectively reduce the voltage and current capacity of the power switching device and is suitable III for high-voltage and high-power applications. Keywords: MMCCPS-SPWMFPGA I 目 录 摘
模块化多电平换流器的均压优化控制仿真研究
模块化多电平换流器的均压优化控制仿真研究
摘要本文主要对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)
中的均压优化控制进行的研究,整个模块化多电平换流器仿真需要将输入的三相交流电转化为直流电,并且各个子模块电压差值需要尽量的小,从而保证整个系统能够稳定运行,对载波移相脉宽调制策略进行推导与改进,使得模块化多电平换流器能够在更短的时间内稳定,且子模块电容电压在合理的控制中保持均衡。仿真实验结果证明了所提方法的正确性和可行性。
关键词模块化多电平换流器;子模块均压;载波移相脉宽调制
Simulation Study on Optimal Voltage Equalization Control of
Modular Multi-level Converter
Z
5号宋体
oufucheng Daipanyang
(Aba Teachers University,Si chuan Wenchuan,China )
Abstract This paper mainly studies the voltage optimization
control in Modular Multilevel Converter. The whole modular multi-level
converter simulation needs to convert the input three-phase AC into DC,
and the voltage difference between each sub-module needs to be as
small as possible. Thus, the whole system can run stably, and the
strategy of carrier phase-shifted PWM is deduced and improved, so that
模块化多电平换流器的拓扑机制与仿真实现
模块化多电平换流器的拓扑机翩与仿真实现 电工电气 (2012 No.1)
模块化多电平换流器的拓扑机制与仿真实现
孙志成,郭家虎,廖其艳 (安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南2 32001)
摘要:介绍了模块化多电平换流器(MMC)的拓扑机制和运行原理,分析了子模块预充电策略和 子模块平衡控制策略。并对其拓扑结构进行了数学建模,根据MMC在同步旋转幽坐标系中的电流控 制模型,采用电流前馈解耦控制,解决了有功电流和无功电流互为耦合问题,并完成了其功率解耦分析, 设计出了相应的功率解耦控制器与直流电压控制器。通过PSCAD/EMTDA软件仿真验证了该控制方案的 可行性和有效性。 关键词:模块化多电平换流器;预充电;平衡控制;功率解耦 中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:1007—3175(2012)O1—0023—04
Topology Mechanism and Simulation Realization 0f
Modular Multilevel Converter
SUN Zhi—cheng,GUO Jia—hu,LIAO Qi—yan (Institute ofElectric andInformation Engineering,Anhui University ofScience and Technology,Huainan 232001,China) Abstract:Introduction was made to topological mechanisms and operating principles of modular multilevel converter(MMC).Analysis was made to the sub-modular precharge strategy and sub—modular balance control strategy.And math modeling was made for its topological structure.According to the current control model of MMC in the synchronous rotating dq coordinate system,this paper adopted current feed forward decoupling control to solve the mutual coupling problem between active current and reactive current, finishing its power decoupling analysis and designing the relevant power decoupling controller and DC voltage controller.PSCAD/ EMTDA software simulation verifies the feasibility and validity of the control plan. Key words:modular multilevel converter;precharge;balance control;power decoupling
模块化多电平换流器预充电时子模块均压效果劣化机理研究
摘要
模块化多电平换流器在预充电过程中存在子模块均压效果劣化现象,部分子模块电压跌落甚至反复启停。针对这一问题,分析了取能电源等效阻抗动态变化情况并将其引入子模块仿真模型中,使模型更接近实际;根据改进后模型,分析了预充电时子模块电压变化过程。仿真结果表明,由于取能电源参数不一致性,导致子模块电压再分配,取能电源等效阻抗与电容电压形成正反馈,进一步加剧电压两极分化,最终导致均压效果劣化。研究结果可为柔性直流输电工程运行参数调整和换流器优化设计提供理论依据。
关键词 : 模块化多电平换流器;柔性直流输电;取能电源;均压;子模块;预充电
0 引言
目前中国已投运的五项柔性直流输电工程(分别位于南汇、南澳、舟山、厦门、鲁西)的换流器均采用模块化多电平拓扑,各相桥臂通过具有相同结构的多个子模块串联构成,换流器输出电压就是由工作的多个子模块电压级联形成[1-9]。各子模块电压波动应限制在允许范围内,当模块过压或欠压时,易造成子模块过压保护动作、IGBT因承受过电压而击穿、取能电源因欠压保护动作使控制板卡失电等故障,进而使子模块旁路。因此,子模块均压是模块化多电平换流器重点研究内容之一。
现有相关研究集中在电容值选取、控制方式优化、环流控制等方面来降低子模块电压波动。文献[10]提出了可降低子模块电容值和电压波动的控制方法;文献[11]提出子模块均压算法;文献[12]~[15]通过优化环流控制算法降低电压波动。但以上研究均基于换流器处于解锁状态时,而对于换流器闭锁预充电状态下的均压研究较少。换流器处于预充电状态时,相关研究简单地认为均压电阻和电容的存在使各子模块电压基本一致[16-17],但根据厦门、南汇等柔直工程的实际数据知子模块均压效果发生劣化,部分子模块电压跌落甚至反复启停。文献[16]~[19]在建模时均只考虑了均压电阻和电容,而忽略了取能电源等效阻抗对均压效果的影响,根据以上模型无法分析均压效果劣化的机理。
模块化多电平换流器直流输电稳态仿真分析
研究与开发
模块化多电平换流器直流输电稳态仿真分析
江政昕 李广凯王鸿雁滕松侯耀飞
(华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,河北保定071003)
摘要 电压源换流器高压直流输电(VSC—HVDC)是基于电压源换流器技术的新一代直流输
电技术。该文介绍了模块化多电平电压源换流器的拓扑结构和工作原理。针对模块化多电平换
流器(MMC)的电容电压平衡问题,提出了一种有效的电容电压平衡控制策略,保证个子模块
电容电压处于相同的范围之内;并针对MMC—HVDC系统,采用载波移相调制策略。最后通过仿
真软件PscAD/EMTDc对上述策略进行了验证,仿真结果验证了策略的可行性。
关键词:模块化多电平电压源换流器;高压直流输电;载波移相;电容电压平衡
Simulation and Analysis of HVDC Power Transmission
Steady State based Modular Multilevel Voltage Source Converter
Jiang Zhengxin Li Guangkai Wang Hongyan Teng Song Hou raofei
(Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education,North China Electric Power University,Baoding,Hebei 07 1 003)
Abstract Voltage Source Converter HVDC rV SC—HVDC)iS a new generation of direct current
transmission technology.The article introduces the topologies and the basic principles of MMC—HVDC. Aiming at the critical problem about capacitor voltage balance of each sub module,a feasible voltage
