电源学报

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模块化多电平变换器专辑——主编评述

徐殿国

电源学报. 2015, 13(6): 1-02. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.1

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模块化多电平变换器与级联H桥变换器在中高压变频器应用中的对比研究

李彬彬,周少泽,徐殿国

电源学报. 2015, 13(6): 9-17. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.9

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级联H桥型变换器CHB(cascaded H-Bridge)由于其笨重、复杂的多绕组移相变压器,限制了其向更高电压/功率等级电机驱动中应用.而模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的拓扑结构相比CHB可省去其笨重、复杂的移相变压器,因而更希望能够采用MMC来实现更紧凑、更灵活的电机驱动解决方案.但需要指出,MMC与CHB实际上存在很多不同之处,至今还没有文献对这两种拓扑各方面性能进行过系统的比较.为此,文中首次详细对比了MMC与CHB在电路结构、工作原理、元件数量、PWM调制方法、谐波性能等方面的优缺点,并探讨了MMC在电机驱动应用中需要面对的电容电压平衡问题、环流问题、启动预充电问题、以及低频运行时的电容电压波动等问题,并给出了相应的解决方法与一些基本的实验验证,旨在为模块化多电平换流器在电机驱动应用中的推广提供一点抛砖引玉的作用.

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基于模块化多电平换流器的牵引供电负序治理

宋平岗,林家通,李云丰,吴继珍

电源学报. 2015, 13(6): 18-27. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.18

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为解决牵引变的负序问题并补偿无功功率,采用两组单相模块化多电平换流器MMC背靠背连接构造铁路功率调节器RPC,直接接入牵引网.首先,建立了单相MMC数学模型;然后通过二阶广义积分构造正交虚拟分量,将其转换到旋转坐标系下,设计双闭环控制器,并以V/v牵引变为例,定量分析并补偿有功和无功;最后,在Matlab中搭建了基于MMC-RPC向V/v牵引变提供负序治理及无功补偿的仿真系统.仿真结果证明了MMC运用到RPC的可行性以及控制策略的有效性.

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基于三电平子模块的倍电平复合式MMC变换器

李瑞,王忠旭,Derrick Holliday,姚良忠,Barry W. Williams

电源学报. 2015, 13(6): 28-35. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.28

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为了降低模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的接线复杂度和通信失效故障概率,ABB提出了采用压接式IGBT串联的级联两电平CTL(cascaded two-level)变换器.由于桥臂子模块数由数百降为几十,CTL变换器输出电压电平数较少,需要在交流侧安装滤波器.为此,提出了基于三电平TL(three-level)子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC(voltage-level-doubler hybrid MMC).每个桥臂有TL、半桥HB(half-bridge)子模块混合组成,且交流侧串联有一个全桥FB(full-bridge)子模块, 输出电压电平数提高了1倍,从而省去了交流滤波器.各子模块具有脉冲自主触发功能且其功率开关由压接式器件串联组成,降低了桥臂子模块数,简化了控制器与主电路之间的接线复杂度,降低了通信故障的概率.单个功率开关短路故障不会影响系统正常运行,并且可避免了子模块电容的过度放电,保护电容器和功率开关,提高变换器的可靠性及故障穿越能力.所提拓扑结构实现了直流故障穿越运行,为HVDC换流站的设计提供了技术参考.

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单相交/交MMC的简化模型及电容电压平衡

陈晓森,刘万勋,孔增辉,熊健,张凯

电源学报. 2015, 13(6): 36-43. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.36

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单相AC/AC模块化多电平(MMC)可以直接连接于25 kV的牵引供电网,无需笨重的50 Hz工频变压器,极大地减小了整个系统的体积以及成本.MMC的子模块(SM)电容电压平衡仍然是一个主要的技术问题,为此,提出了一种桥臂内和桥臂间电容电压平衡的方法.所提出的桥臂内电压平衡方法结合了传统载波移相脉宽调制(CPSPWM)和载波层叠脉宽调制(PDPWM)下电压平衡法的优点,桥臂内子模块电容电压平衡只需要2个比例调节器,极大地减小了控制系统的计算量;提出的桥臂间电压平衡通过连接上下桥臂的功率通道实现,避免了与输入/输出电压和电流的相互影响,解决了传统桥臂间电容电压平衡法中共模电流注入电网的问题.同时,建立了MMC的简化数学模型,该模型可以被看作背靠背的PWM变换器,并且清晰地揭示了功率流向.最后,仿真和实验证实了所提出电压平衡法的有效性以及数学模型的正确性.

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基于连续模型的MMC环流谐振分析

董鹏,张建文,蔡旭

电源学报. 2015, 13(6): 44-50. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.44

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模块化多电平变换器(MMC)未来在中高压能源转换领域潜力巨大.桥臂环流的存在是MMC区别于其它多电平变换器的重要特点,子模块电容和桥臂电感参数设计不合理会导致变换器发生环流谐振.首先,依据MMC连续模型,由桥臂电流和正弦调制的相互作用推导出子模块电容电压的解析表达式,子模块电容电压存在不同频率的交流波动分量进而导致桥臂电流中出现不同频率的交流环流;然后,通过分析不同环流谐振频率之间的关系得到避免2倍频环流谐振的元件参数设计依据.最后,利用Matlab/Simulink搭建MMC时域仿真模型验证了理论分析的正确性.

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不平衡电压下的MMC控制策略研究

江斌开,王志新

电源学报. 2015, 13(6): 51-57. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.51

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模块化多电平变流器MMC(modular multilevel converter)在高压直流输电领域有着众多优势,在未来传输新能源电能有着重要作用.在不平衡电压下,基于交流有功功率的分析,设计了基于正、负序控制的电流控制器,消除有功功率二倍基频波动.同时,MMC桥臂环流包含正、负、零三序分量,传统环流控制器(CCSC)仅考虑了负序分量,因而并不适用不平衡电压.在瞬时功率理论分析的基础上,提出并设计了一种基于直接控制环流正、负、零三序分量的环流控制器.通过Matlab/Simulink仿真平台,与传统二倍频负序旋转坐标变换的环流控制器对比,验证了所提出控制器的有效性.

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模块化多电平换流器MMC的环流抑制技术综述

杨晓峰,林智钦,周楚尧,薛尧,郑琼林

电源学报. 2015, 13(6): 58-68. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.58

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模块化多电平换流器(MMC)的结构特点带来了内部环流问题,这将直接影响MMC的系统损耗和内部运行特性.最近几年中,关于MMC环流问题的研究取得了重大进展.首先概述了MMC环流理论分析的进展,在讨论相应的环流控制面临的挑战基础上,综述了前沿的环流抑制技术和发展趋势,并就未来研究方向进行了探讨.

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新型多端高压变换器拓扑构造和分析

张波,丘东元,付坚

电源学报. 2015, 13(6): 69-76. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.69

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提出一族多端高压变换器拓扑,分别为多端高压AC-DC变换器、多端高压DC-DC变换器、多端高压DC-AC变换器和多端高压AC-AC变换器.论述了多端高压变换器拓扑的构造原理和主要拓扑结构.研究表明,所提拓扑的显着优点是一个拓扑即可实现多路输入或多路输出,大大减少了开关器件、降低了变换器成本,且输出多电平电压、谐波含量少,适用于多端高压直流输电、多端交流输电、多电机高压变频驱动、电力电子变压器、电能质量补偿装置等工业场合.

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一种模块化多电平换流器分布式均压控制策略

罗永捷,李子欣,李耀华,王平

电源学报. 2015, 13(6): 77-83. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.77

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应用于柔性高压直流输电领域的模块化多电平换流器,其桥臂级联功率模块数量通常多达数百个;而现有的阀控系统电容排序均压策略存在运算量大、硬件实现困难等问题.针对该问题,首先提出了一种分布式模块电压均衡控制策略;然后通过将桥臂中的功率模块分组,把桥臂电容电压平均值作为参考值.分组模块电压平均值作为反馈值,对各分组功率模块导通数动态调整,在保证电压均衡效果良好的前提下,有效降低控制系统处理器的运算量.该策略中所有功率模块均能实现故障冗余,而不会降低换流器整体冗余能力.最后在PSCAD/EMTDC中构建HVDC系统进行仿真验证,仿真结果证明了该策略的正确性和有效性.

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模块化多电平变换器优化调度调制策略研究

夏超英,于佳丽

电源学报. 2015, 13(6): 84-91. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.84

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由于MMC电源的模块电容电压存在波动,一般认为它较为适用于定频运行.首先,定义了MMC电源的2种工作模式,即高效放电的工作模式和高效充电的工作模式;然后在此基础上提出了MMC电源的优化调度调制方法,该方法能够实现MMC变频变压运行时的低电容电压波动和高效控制;最后仿真结果验证了所提方法的有效性.

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单相MMC变流器及其在新型牵引供电系统中应用的研究

宋平岗,吴继珍,陈欢,罗善江

电源学报. 2015, 13(6): 92-100. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.92

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为解决传统牵引供电系统中所存在着电能质量和过分相问题,首先介绍了一种基于MMC-MTDC的新型牵引供电系统.新型牵引供电系统中需要单相变流器向牵引网提供稳定的电压和频率,据此对单相H桥型模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)进行了研究.介绍了该变流器的拓扑特性,建立了相应的数学模型.将牵引网络认为成无源网络,设计一种基于虚拟同步坐标系下外环定交流电压、内环电流的单相H桥MMC型逆变器向单相无源网络供电的双闭环控制策略;为了抑制桥臂电流所含的二次分量,使用准比例谐振器设计了环流抑制器.最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型.仿真结果验证了系统控制策略的可行性和环流抑制器的有效性,变流器能够向牵引网络提供稳定的电压和频率.

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级联两电平换流器CTLC的建模和快速仿真方法

许建中,赵成勇,姬煜轲,熊岩

电源学报. 2015, 13(6): 101-109. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.101

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级联两电平换流器CTLC(cascaded two level converter)是由ABB公司提出的一种类似于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的拓扑,它继承了MMC的优良特性,同时大幅降低了控制器复杂度,节约了投资.然而,尚未见文献报道CTLC的建模和快速仿真方法及其换流器内部故障仿真方法.首先介绍了CTLC的拓扑、基本原理及适合于CTLC的载波移相调制均压策略;其次重点针对CTLC中的谐振滤波器展开研究,对比分析了不同参数下滤波性能的差异.进而基于戴维南等效原理,搭建了包含CTLC拓扑及调制均压策略的整体电磁暂态快速仿真模型.最后,提出了一种CTLC阀内故障的仿真方法,可以精确仿真开关器件的短路和断路故障.在PSCAD/EMTDC中搭建的双端49电平CTLC-HVDC仿真模型,验证了所提出建模及故障仿真方法的有效性.

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模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究

石绍磊,李彬彬,张毅,徐殿国

电源学报. 2015, 13(6): 110-116. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.110

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模块化多电平型(modular multilevel)高压DC/DC变换器采用模块化结构,能够很容易通过子模块串联的方法得到较高的电压和功率等级,适用于高压大功率直流变压场合.该DC/DC变换器采用由两个模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)组成"面对面相连"的结构,其本身具有直流侧故障保护的功能,无需采用直流断路器进行保护,变压器的存在可实现了电气隔离.目前针对此拓扑结构的研究尚处于起步阶段,其基本运行方式仍是研究的重点和难点.本文具体描述了模块化多电平型高压DC/DC变换器的拓扑结构,并且分析了其本身具有直流侧故障保护功能的作用机理.在此基础上,从调制策略、电容电压平衡策略及功率控制策略三方面对控制器进行设计.最后,通过建立仿真模型和搭建单相结构的实验平台,验证了所提基本运行方式的有效性.

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模块化多电平变流器实验样机的设计

武文,荆龙,吴学智,苑晓垚

电源学报. 2015, 13(6): 117-123. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.117

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MMC已经成为工业界与学术界的研究热点,仿真分析虽然灵活方便,但有时与实际工况存在差距.首先设计了三相9电平MMC实验样机;然后遵照模块化的原则,设计了子模块;控制系统使用分层的构架,实现了不同层级的控制与保护;再利用载波移相、电压均衡控制及PR调节器实现了电容均压及环流抑制.最后通过实验验证了样机的性能.利用该平台能够为MMC的研究提供一个方便有效的手段.

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DC/DC/AC混合型MMC变换器控制策略分析与设计

魏亮,马文忠,刘勇,王晓,赵华芳

电源学报. 2015, 13(6): 124-130. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.124

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研究了一种可以实现电能不同形式综合利用的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器(MMC),该结构的变换器实现了电压变换功能的多样化.首先,分析了该种可以同时实现DC/DC与DC/AC混合电压变换的模块化多电平变换器拓扑结构;然后,利用功率正交原理,设计了DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器的闭环控制策略;最后,在给定交流负载侧交流电流的前提下,实现了各个桥臂子模块电容电压的均衡控制.仿真结果验证了所提出的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器电压变换功能的可行性以及控制策略的有效性.

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一种高增益交错并联正反激变换器

李洪珠,杨学鹏

电源学报. 2015, 13(6): 131-138. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.131

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传统的交错并联boost变换器升压增益很小,电压应力却很高.因此,提出了一种适用于可再生能源系统(光伏系统)的高电压增益变换器,利用电压乘法器模块(由开关电容和耦合电感组成)来提高升压增益的;分析了电路的工作模态,推导了升压增益和电压应力,并计算了传导损耗和效率;比较系统性能后,根据不同的性能指标针对该应用领域进行分析;最后通过实验样机实验证明了理论说法的正确性,结果证明该拓扑结构能够实现高达97.1%的转换效率.

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并网模块化多电平变换器控制研究

陈耀军,陈柏超,秦振杰,赖向东

电源学报. 2015, 13(6): 139-145. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.139

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模块化多电平变换器(MMC)的并网应用是其最重要的应用场合.首先推导出了MMC在dq旋转坐标系中的等效模型,不同于常规的电压源型变换器,该模型显示交流输入回路的电感和等效电容均对系统控制产生影响;然后选择电感和电阻上的电压为控制对象,将其他变量作为扰动变量,大大简化了对输入电流的控制;再在外环控制方面,引入电容能量作为变量,实现了系统的线性控制,建立了系统功率响应模型,推导出了系统传递函数;最后通过实验证实了所提的控制策略的正确性.

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基于模块化多电平变换器的负序电流补偿系统研究

陈耀军,陈柏超,秦振杰,赖向东

电源学报. 2015, 13(6): 146-155. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.146

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针对三相负载不平衡引起的负序电流,提出了基于模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)进行补偿的方案,讨论了其工作特性,提出了相应的控制策略.首先,通过把三相不平衡负载等效为平衡负载的方法,推导出对补偿系统控制的基本要求,明确了补偿的基本原理;然后,分析了补偿系统输入功率特性,提出了MMC用于负序补偿时的等效模型,并分析了环流及电容电压的波动特性,指出三相电容电压之和必定存在二次谐波波动;引入正负序坐标系分离控制的控制策略;最后通过仿真和实验验证了文中提出的结论和控制策略.

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MMC-STATCOM的2N+1单载波调制方法

徐千鸣,罗安,何志兴,王皓,岳雨霏

电源学报. 2015, 13(6): 156-162. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.156

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合理的多电平调制策略及模块电容电压平衡控制是保证MMC-STATCOM安全可靠运行的基础.针对MMC-STATCOM无直流侧功率传输的特点,提出一种适用于MMC-STATCOM的单载波调制策略,其特征在于上、下桥臂调制波与同一载波进行比较,得到移相的上、下桥臂的模块投入数,实现2N+1电平的输出电压,从而提高补偿电流波形质量.同时,为保证变换器的稳定运行,提出一种基于功率模块开关状态反馈的电容电压平衡控制方法,无需模块电容电压排序,而且避免繁复的功率模块开关状态判断,有效降低控制系统复杂度.最后通过实验验证了所提调制策略的有效性.

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2015年, 第13卷, 第6期　刊出日期：2015-11-30

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