【CN109980968B】一种模块化多电平变换器、控制系统及其应用【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201910214474.9(22)申请日 2019.03.20(65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 109980968 A(43)申请公布日 2019.07.05(73)专利权人 山东大学地址 250061 山东省济南市历下区经十路17923号(72)发明人 高峰 秦福田 蒿天衢 张承慧 吴强 张祯滨 郝全睿 王晓龙 许涛 马展 孟祥剑 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限公司 37221代理人 李圣梅(51)Int.Cl.H02M 7/483(2007.01)H02M 7/5387(2007.01)H02J 3/38(2006.01)审查员 谢冬莹
(54)发明名称一种模块化多电平变换器、控制系统及其应用(57)摘要本公开提出了一种模块化多电平变换器、控制系统及其应用，模块化多电平变换器为单相混合三桥臂模块化多电平变换器，其拓扑结构由上、中、下三个桥臂组成，上、下桥臂由N个相同的半桥型子模块和一个桥臂电感级联组成，中间桥臂由K个相同的单向电流全桥型子模块级联组成；所述模块化多电平变换器为三相混合九桥臂模块化多电平变换器，由三个所述的单相混合三桥臂模块化多电平变换器组成；本公开技术方案公开的新型混合九桥臂模块化多电平变换器与现有的相比在获得相同输出电压的条件下，所需要的半导体器件数量进一步减少，使得系统的体积和成本大大降低，同时可以消除标准九桥臂模块化多电平变换器运行范围限制，使得直流侧电
压利用率提高50％。
权利要求书2页 说明书5页 附图6页CN 109980968 B2020.01.14
CN 109980968
B1.一种模块化多电平变换器，其特征是，所述模块化多电平变换器为单相混合三桥臂模块化多电平变换器，其拓扑结构由上、中、下三个桥臂组成，上、下桥臂由N个相同的半桥型子模块和一个桥臂电感级联组成，中间桥臂由K个相同的单向电流全桥型子模块级联组成；上桥臂电感下端与中间桥臂上端连接点为上输出交流母线，下桥臂电感上端与中间桥臂下端连接点为下输出交流母线，其中，N为任意不小于1的整数，K的取值小于N；K为任意不小于0的整数，具体由上、下交流输出端的相电压幅值和相位差以及直流侧电压和额定的子模块电容电压决定，其中K的取值表示为：
式中，ceil是向上取整函数，U1，U2和θ分别为上、下交流输出端的相电压幅值和相位差，额定的子模块电容电压为Uc。2.如权利要求1所述的一种模块化多电平变换器，其特征是，所述单向电流全桥型子模块包括S2和S3两个带反并联二极管的全控型半导体器件、D1和D4两个二极管以及一个电容器，其中D1的正极与S2的集电极相连，构成单向电流全桥型子模块的正端，S3的发射极与D4的负极相连，构成单向电流全桥型子模块的负端；D1的负极与S3的集电极相连，然后均与电容器正端相连，D4的正极与S2的发射极相连，然后均与电容器负端相连。3.如权利要求1所述的一种模块化多电平变换器，其特征是，所述半桥型子模块包括S1和S2两个带反并联二极管的全控型半导体器件和一个电容器，其中，S1的发射极与S2的集电极相连，并作为半桥型子模块的正端；S1的集电极与电容器的正端相连，S2的发射极与电容器的负端相连，并作为半桥型子模块的负端。4.一种模块化多电平变换器，其特征是，所述模块化多电平变换器为三相混合九桥臂模块化多电平变换器，由三个权利要求1-3任一所述的单相混合三桥臂模块化多电平变换器组成；三个单相混合三桥臂模块化多电平变换器上桥臂的上输出端连接在一起作为直流母线正端，下桥臂的下输出端连接在一起作为直流母线负端；每一相上、下交流输出端子分别组成对应的上、下两组三相交流输出端子。5.如权利要求4所述的一种模块化多电平变换器，其特征是，三相混合九桥臂模块化多电平变换器上、下两组三相交流输出端子均直接连接三相高压电网或两组高压大功率负载；或一组三相交流输出端子连接三相高压电网，另一组三相交流输出端子连接高压大功率负载。6.如权利要求4所述的一种模块化多电平变换器，其特征是，N为任意不小于1的整数，具体可由直流侧电压和额定的子模块电容电压决定，N＝ceil[Udc/Uc]，直流侧电压为Udc，额定的子模块电容电压为Uc。7.基于权利要求1-6任一所述的一种模块化多电平变换器的综合控制系统，其特征是，所述控制系统包括总控制单元，所述总控制单元连接至桥臂参考信号生成控制单元、电容
电压均衡控制单元及环流抑制控制单元；权 利 要 求 书1/2页
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模块化多电平(MMC)电压源型换流器工作原理
第 1 页 共 16 页 模块化多电平（MMC）电压源型换流器 1柔直输电的基本原理 柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技术,也同样由换流站和直流输电线路构成。柔性直流输电功率可双向流动，两个换流站中的任一个既可以作整流站也可以作逆变站运行，其中处在送电端的工作在整流方式，处在受电端的工作在逆变方式。 为简明起见，以典型的三相两电平六脉动型换流器的柔性直流输电换流站为例，介绍柔性直流输电的基本原理。系统结构如图2-1所示。由图虚线划分可知，两端柔性直流输电系统可以看作为两个独立的静止无功发生器（STATCOM）通过直流线路联结的合成系统；对于交流系统而言，交流系统向柔性直流换流站提供连接节点，即换流站与交流系统是并联的。由以上柔性直流输电系统拓扑结构特点分析可知，柔性直流输电系统具有STATCOM进行动态无功功率交换的功能，除此之外，由于两个电压源换流器（VSC）的直流侧互联，它们之间又具备了有功功率交换的能力，可以在互联系统间进行有功潮流的传输。 图2-1两端VSC-HVDC结构示意图
第 2 页 共 16 页 （1－两端交流系统；2－联结变；3－交流滤波器；4－相电抗/阀电抗器；5－换流阀；6－直流电容；7－直流电缆/架空线路。背靠背式两端VSC-HVDC不包含7） 柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器/阀电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统（水冷系统、站用电系统）等。 电压源型换流器包括换流电路和直流电容器，实现交流电和直流电转换的换流电路由一个或多个换流桥并联（或串联）组成，目前在柔性直流工程中还未出现多个换流桥组成的组合式换流器，但组合式换流器可以达到降低开关频率，减少损耗的目的，在某些情况下也可能被采用。电压源型换流桥可以采用多种拓扑结构，工程中常用的有三相两电平桥式结构，二极管钳位式三电平桥式结构、模块化多电平结构，还有工程中未曾应用，但研究者比较关注的二极管钳位多电平结构和飞跨电容多电平结构。换流器中的每个桥有三个相单元，一个相单元有上下两个桥臂，每个桥臂或由一重阀（两电平）构成，或由两重阀（三电平）构成，或由多重阀（多电平）构成。柔性直流输电系统的换流阀由于并联了续流二极管阀，因而具有双向导通性，一个换流阀由一个或数个阀段组成，每个阀段又由多个阀层组成。在已投入运行的柔性直流工程中，阀层就是由压装式IGBT连同驱动电路、散热片及其他辅助电路共同构成的（电压源型换流器的结构分解图如图2-2所示）。直流电容器为VSC提供直流电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；相电抗器则是电压源换流器与交流系统进行能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用。此外，交流滤波
模块化多电平的工作原理
模块化多电平的工作原理
模块化多电平是一种能源管理系统中常用的工作原理，其基本原理是将电力系统分成多个模块化的电平。每个电平都有自己的电源和负载，并且可以根据需求进行灵活配置。
模块化多电平的工作原理包括以下几个方面：
1. 分级管理：整个电力系统被分成多个电平，每个电平都有自己的电源和负载。电平之间通过相应的控制和通信系统进行连接和管理。通过分级管理，可以实现对不同电平的控制和监测，提高电力系统的稳定性和可靠性。
2. 高效转换：每个电平都有自己的电源，可以根据需求选择不同类型的电源，如蓄电池、太阳能电池等。电源与负载之间通过转换器进行能量转换。转换器可以根据输入和输出电压的需求，实现高效转换和能量传输，从而提高能源利用率和功率密度。
3. 自适应控制：模块化多电平系统中的每个电平都有自己的控制系统。控制系统可以根据负载需求和电源状态，自适应调整电平的工作状态。通过自适应控制，可以实现电力系统的动态调整和优化，以提高系统的性能和效率。
4. 安全保护：模块化多电平系统中的每个电平都配备有相应的保护装置。保护装置可以监测和保护电平的电源和负载，以防止电力系统出现故障或意外情况。保护装置可以根据需要进行配置，以提供安全和可靠的电力供应。
通过以上的工作原理，模块化多电平系统可以实现对电力系统的灵活管理和控制，提高能源利用率和电力系统的可靠性。这种工作原理在微电网、可再生能源系统等领域得到广泛应用。
mmc模块化多电平换流器波形
mmc模块化多电平换流器波形
MMC（Modular Multilevel Converter）模块化多电平换流器是一种高压直流断路器，主要用于高压直流输电系统中将交流电转换为直流电或者将直流电转换为交流电。它的主要优点是可以实现较高的电压调节范围、较低的谐波含量以及较好的容错能力。
MMC的波形主要取决于其控制策略和所采用的调制技术。一般来说，MMC的输出电压波形是多电平波形，在正常运行状态下，其形状近似于一个正弦波，但是波形的幅值可以在几个不同的电平之间进行调节，以实现对输电系统的电压控制。
具体来说，MMC的波形通常采用PWM（Pulse Width
Modulation）调制技术产生。PWM调制技术通过调节开关器件的开关周期和占空比，来控制输出电压的波形。在MMC中，每个模块都有自己的PWM控制器，通过协调各个模块的开通和关断动作，可以实现多电平的输出波形。
对于MMC来说，常见的多电平输出波形有三电平和五电平波形。三电平波形通过控制开关器件的开通和关断，使得输出电压可以在三个电平（正、零、负）之间进行切换。五电平波形则通过增加两个电平（正中、负中）来进一步提高输出电压的精度。这些多电平波形可以有效地降低谐波含量，提高功率转换效率。
总之，MMC模块化多电平换流器的波形是通过PWM调制技术产生的多电平波形，可以根据需要进行电压调节，以满足不同的输电系统要求。
模块化多电平变换器
模块化多电平变换器(MMC)的脉冲宽度调制的实验和控制
摘要：模块化多电平变换器(MMC)是新一代不需要变压器而实现高、中压电力转换的多级转换器中的一种。MMC的每相是基于多个双向斩波单元的串级连接。因此需要对每个浮动的直流电容器进行电压平衡控制。然而，目前还没有文章涉及到通过理论和实验验证来实现电压平衡控制的明确讨论。本文涉及两种类型的脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)来解决他们的电路配置和电压平衡控制。平均控制和平衡控制的结合使脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)在没有任何外部电路的情况下实现电压平衡。脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)的可行性,以及电压平衡控制的有效性,通过仿真和实验已经被证实。
关键词：电压电力转换，多级转换器，电压平衡控制
一、 介绍：
大功率的转换器的应用需要线性频率变压器来达到加强电压或电流的额定值的目的（见参考文献【1】——【4】）。2004年投入使用的80MW的静态同步补偿器的转换侧由18个中点箝位(NPC)式转换器组成（文献【4】），每个系列的交流双方串联相应的变压器。线性变压器的使用不仅使转换器笨重,而且也导致当单线接地故障发生时出现直流磁通偏差（文献【5】）。
最近，许多关于电力系统和电力电子的多级转换的科学家和工程师，参与到多电平变换器 为了实现无需变压器而实现中压电力转】换（文献【6】-【8】）。两种典型的方法有：
（1）多级多电平转换(DCMC) （文献【6】, 【7】）;
（2）飞跨电容型多电平变换器(FCMC)（文献【8】）。
三电平多级多电平转换器（DCMC）或者NPC转换器已经被投入实际使用，如果在DCMC中电平的数量超过三个，容易导致串联的直流电容内在电压的不平衡，因此两个直流电容需要一个外部电路（例如buck—boost斩波电路）（文献【11】），此外，一个箝位二极管耐压值的增长是非常有意义的，而且这种增长需要每相串联多个模块，这就造成一些困难。因此合理的电平数量应该根据实际需要考虑但至多不能超过五个。至于FCMC,四级的脉冲宽度调制（PWM）换流器目前已经被一个制造中压驱动器的企业大量生产。然而，较低的载波频率（低于1KHz）的浮动电容器的价格依然昂贵，这是FCMC最大的劣势。
模块化多电平换流器原理及应用
模块化多电平换流器原理及应用
模块化多电平换流器是一种电力电子设备，用于实现多电平电压波形的转换和控制。它由多个子模块构成，每个子模块负责产生一个电平的电压波形，通过合理的组合和控制，可以实现所需的多电平输出。本文将介绍模块化多电平换流器的原理和应用。
1. 原理：
模块化多电平换流器的原理基于电力电子技术和PWM调制技术。它采用多个子模块，每个子模块包含一个逆变桥和一个滤波电路。逆变桥将输入直流电压转换为交流电压，滤波电路对输出波形进行滤波，以得到所需的电平。通过合理的控制和组合，可以实现多种电平的输出。
2. 应用：
模块化多电平换流器在电力系统中有广泛的应用。以下是一些常见的应用领域：
（1）高压直流输电系统：在高压直流输电系统中，模块化多电平换流器可以实现高效的电压转换和控制，提高输电效率和稳定性。
（2）电动车充电桩：模块化多电平换流器可以用于电动车充电桩中，实现对电动车的快速充电和电压的精确控制。
（3）可再生能源发电系统：在可再生能源发电系统中，模块化多电平换流器可以将不同类型的可再生能源（如太阳能、风能等）转换为交流电并注入电网。
（4）工业电力系统：在工业电力系统中，模块化多电平换流器可以实现对电力负载的精确控制和优化，提高电力系统的稳定性和效率。
3. 优势：
模块化多电平换流器相比传统的换流器具有以下优势：
（1）高效性：模块化多电平换流器可以实现高效的电压转换和控制，减少能量损耗和系统热量。
（2）灵活性：模块化多电平换流器由多个子模块构成，可以根据实际需求灵活组合和控制，适应不同的电压和功率要求。
（3）可靠性：模块化多电平换流器由多个子模块组成，故障发生时只需替换故障模块，不会影响整个系统的运行。
（4）可扩展性：模块化多电平换流器可以根据需求进行扩展，增加或减少子模块，以适应不同的应用场景。
4. 发展趋势：
随着电力电子技术和控制技术的不断发展，模块化多电平换流器在未来有着广阔的发展前景。以下是一些发展趋势：
电网不平衡下模块化多电平整流器控制策略
电网不平衡下模块化多电平整流器控制策略
张瀚超;匡洪海;王建辉;朱国平
【摘 要】为解决目前电网不平衡下模块化多电平整流器存在负序电流以及电压二次谐波影响系统稳定性的问题,在传统单一正序电流内环控制方法存在有功功率扰动大、整流器直流侧电压存在二次谐波问题的基础上,提出了一种基于信号延时法和双电流内环控制结合的控制策略.该策略以电流指令算法为基础,对电流的正、负序分量进行分离并计算,采用PI调节器,实现对正、负序电流的无静差控制,也可以有效降低有功功率p(ωt)的扰动,有效抑制整流器直流侧电压的二次谐波.仿真实验结果表明,该控制策略具有较好的抑制效果.
【期刊名称】《湖南工业大学学报》
【年(卷),期】2019(033)003
【总页数】9页(P46-54)
【关键词】电网不平衡;电流指令算法;信号延时法;PI调节器;双电流内环控制
【作 者】张瀚超;匡洪海;王建辉;朱国平
【作者单位】湖南工业大学 电气与信息工程学院,湖南 株洲 412007;湖南工业大学
电气与信息工程学院,湖南 株洲 412007;湖南工业大学 电气与信息工程学院,湖南
株洲 412007;湖南工业大学 电气与信息工程学院,湖南 株洲 412007
【正文语种】中 文
【中图分类】TM461
0 引言
已有关于模块化多电平整流器（modular multilevel converters，MMC）的建模与控制方面的研究，主要建立在交流系统三相电压对称的理想情况下，而在实际应用中，电网处于非理想状态，存在不平衡情况。若依然按照平衡条件下的控制策略对整流器进行控制，将会导致整流器交流侧出现负序电流，同时直流侧也会出现特征及非特征谐波电压和电流，影响整流器的正常运行，降低整流器输出波形质量[1-3]。所以非理想电网下的有效控制策略，对于整流器性能的提升有着重要意义[4-5]。
目前，大部分的电流调节方式采用双同步旋转坐标系下的PI（proportional
模块化多电平换流器（MMC）调制方法综述
模块化多电平换流器（MMC）调制方法综述
王蕊;王斌;万杰星
【摘 要】介绍了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑和工作原理,分类别详叙了各种调制方法。总结了不同调制技术的优缺点和应用场合,为MMC的工程应用提供了借鉴意义。提出了MMC调制技术的改进方向,对进一步的研究探索有积极意义。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2017(000)008
【总页数】5页(P43-47)
【关键词】模块化多电平换流器;调制技术;载波移相调制法;载波层叠调制;最近电平逼近调制;多电平SVPWM;特定次谐波消除脉宽调制
【作 者】王蕊;王斌;万杰星
【作者单位】[1]东南大学电气工程学院,江苏南京210096;[2]中航宝胜海洋工程电缆有限公司,江苏南京225100
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46
随着全球能源互联网和柔性交流输电系统(Flexible Alternative Current
Transmission Systems,FACTS)的发展,模块化多电平换流器(Modular Multilevel
Converter ,MMC)越来越得到科研工作者的关注和研究。MMC以其高度模块化、容易拓展和输出性能好等特点,应用越来越广泛,应用领域已逐步从传统的高压直流(High-Voltage DC,HVDC)输电应用向中高压电力传动、电能质量治理、高压直流功率变换等领域拓展,并已获得了初步的研究成果,展现出良好的应用前景[1]。对于MMC 的研究也逐渐展示出多元化的特点,关键技术包括MMC调制技术、直流电压稳定技术、环流分析及抑制方法、谐波分析及抑制技术、故障情况下的穿越能力等。本文选取 MMC的调制技术作为重点,对近年来的研究情况进行梳理和总结,为MMC的工程应用提供借鉴,具有重要的理论价值和现实指导意义。
MMC工作时的拓扑结构如图1所示。其中Ls
为网侧电感,Rs为网侧内阻,Ns为交流中性电位参考点,MMC每相上下桥臂各包含N个子模块。
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
mmc 桥臂电流
mmc 桥臂电流
MMC（Modular Multilevel Converter，模块化多电平变流器）是一种新型的换流器拓扑结构，常用于高压直流输电系统及其他高功率电力电子应用。MMC桥臂电流指的是MMC中每个桥臂（Bridge Arm）传导的电流。
在MMC中，每个桥臂由多个子模块（Submodule）组成，每个子模块都包含一个晶闸管（IGBT）和一个电容。桥臂电流是通过IGBT和电容进行控制和调节的，以实现有源电流补偿，提高功率因数及电流质量。
MMC桥臂电流的大小和方向是通过控制每个子模块的开关状态来实现的。开关状态的不同组合会导致不同的电压和电流波形，以实现对输出电压和电流的控制。
准确控制MMC桥臂电流是MMC系统正常运行的重要条件之一，有助于提高整个系统的功率传输效率和稳定性。
基于PSCAD的模块化多电平换流器仿真研究
基于PSCAD的模块化多电平换流器仿真研究
谭邵卿;卢思翰
【摘 要】作为新一代直流输电技术,基于电压源换流器(VSC)的柔性直流输电(VSC-HVDC)发展前景广阔,特别是模块多电平换流器(MMC),将日趋成熟并广泛应用到输电领域.主要研究模块化多电平换流器系统的主电路参数设计、控制方法和仿真建模方法.在EMTDC/PSCAD平台上,搭建两端模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)的详细仿真模型,通过对模型在额定状态和功率波动状态下的运行结果进行分析,验证了仿真模型的有效性.
【期刊名称】《山东电力技术》
【年(卷),期】2016(043)011
【总页数】5页(P35-38,57)
【关键词】柔性直流输电;模块化多电平换流器;换流器建模
【作 者】谭邵卿;卢思翰
【作者单位】山东大学 电气工程学院,济南250001;东北大学 信息科学与工程学院,沈阳 110819
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46
随着VSC-HVDC技术的不断发展，如何提高VSC-HVDC系统的容量和电压等级成为研究重点之一，MMC作为换流器的一种新型拓扑，在提高系统容量和电压等级问题上有其独特优势［1］，引起了国内外学者的重视，使MMC研究取得了一定的成果。
硬件优化和数学建模方面，文献［2］推导出了换流器同一相单元上、下桥臂的电感非公共端的电位相等，为MMC换流器的分析提供依据；文献［3］对换流器的电容设计进行了优化。调制方式与控制方面，文献［4］讨论了最近电平逼近调制（NLM）应用于MMC的可行性；文献［5］在MMC传统双环控制的基础上，通过设置动态电流限幅环节，并采用混合调制策略，改善了换流器交流的侧的波形，并提高了系统的动态性能。
针对MMC-HVDC的仿真技术展开研究，研究MMC换流器的基本原理、控制方法，根据系统的运行计算并设计出系统的主电路参数，基本单元的控制器的设计，在EMTDC/PSCAD平台上搭建了MMC-HVDC的仿真模型，并在不同工况下验证仿真系统的有效性。