第35卷第11期电网技术V ol. 35 No. 11 2011年11月Power System Technology Nov. 2011 文章编号：1000-3673（2011）11-0067-07 中图分类号：TM 723 文献标志码：A 学科代码：470·4054
模块化多电平式柔性直流输电换流器的
预充电控制策略
孔明1，邱宇峰1，贺之渊1，何维国2，刘隽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，上海市浦东新区 200122）
Pre-charging Control Strategies of Modular Multilevel Converter for VSC-HVDC
KONG Ming1, QIU Yufeng1, HE Zhiyuan1, HE Weiguo2, LIU Jun2
(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;
2. Shanghai Municipal Electric Power Company, Pudong New District, Shanghai 200122, China)
ABSTRACT: Based on a novel multilevel voltage source converter (VSC) for HVDC, the pre-charging dynamic process of the converter is analyzed at full length, so as to search a suitable pre-charging control strategy. For a single station, the process is divided into two stages, the mechanism and the concerning factors of the transient over current during, in particular, the unlock charging course are analyzed. To ensure the effective charging current control for modular multilevel converter (MMC), an optimized multilevel modulation algorithm is presented, making it suitable for both the pre-charging process and the normal operation. When the MMC-HVDC supplying for a passive network, or used as a "black start" power source, the AC network of the active side will be the only energy source for MMCs. Based on the pre-charging control approach for a single MMC, an effective pre-charging coordinated control strategy for both ends of MMC-HVDC is introduced, solving the problem of the capacitors undercharged of the inverter side. Finally, a digital and a physical MMC-HVDC simulation systems supplying for passive network are established, and the simulation results verify the feasibility and validity of the control strategies mentioned.
KEY WORDS: HVDC flexible; modular multilevel converter (MMC); pre-charging control; nearest level modulation algorithm; black start
摘要：针对用于高压直流输电的新型模块化多电平电压源换流器，详细分析了其预充电动态过程，以寻求合适的预充电控制策略。首先以单站模块化多电平结构电压源换流器(modular multilevel converter，MMC)为研究对象，将换流器预充电分为2阶段，分析了各阶段，特别是MMC解锁瞬间
基金项目：国家电网公司科技项目(ZLA40[2010]0280)。
Project Supported by Science and Technology Project of the State Grid Corporation of China (ZLA40[2010]0280). 过电流的形成机制及影响因素；为保证换流器解锁后，控制器对充电电流的有效控制，对多电平调制算法进行优化，使其在换流器预充电和正常运行阶段均适用；同时就基于MMC的柔性直流输电(MMC-HVDC)运用于向无源系统供电和作为“黑启动”电源的应用场合，需要一端交流源同时向双站两端预充电时，针对逆变站MMC电容充电不足的问题，提出一种整流站和逆变站协调配合的双站两端预充电控制策略；最后构建向无源系统供电的MMC-HVDC数字和物理仿真模型，验证了所提出控制策略的可行性和有效性。
关键词：柔性直流输电；模块化多电平换流器；预充电控制；最近电平调制算法；黑启动
0 引言
基于电压源换流器的高压直流输电(voltage- source converter based HVDC，VSC-HVDC)技术又称柔性直流输电(HVDC Flexible)。它可以独立调节有功和无功的传输，在可再生能源的发电并网、孤岛和城市供电以及交流系统互联等应用领域，具有明显的竞争力[1-5]。
作为系统正常运行的前提和基础，柔性直流换流器的启动有2个主要目标：换流器交流出口电压的建立和额定直流电压的建立。其中额定直流电压的建立是中心环节，其实质是电容器额定电压的建立，换流器的预充电过程。从国内外文献[6-10]来看，研究的重点放在柔性直流输电控制系统的设计上，在分析柔性直流输电系统暂稳态过程时，通常假定换流器的电容电压已预充到一定值，而对其详细充电控制过程鲜有涉及。然而，该环节若控制不当将产生严重的过压和过流，甚至导致系统振荡，影响交流系统正常运行，危及设备及人身安全，因此对
68 孔明等：模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略V ol. 35 No. 11
该过程进行研究有重要意义。
电容器的预充电与换流器的具体拓扑结构有直接联系。2001年，A. Lesnicar等人[11]提出了一种新型模块化多电平结构电压源换流器(modular multilevel converter，MMC)，MMC的电容分散于各子模块(sub module，SM)中，相较于2电平拓扑，其电容器充电的动态过程复杂得多。现有关于柔性直流输电换流器预充电的文献[12-13]大多数针对两电平拓扑结构，而涉及这种模块化多电平换流器的文献[14-26]，对其预充电的详细研究鲜见报道。鉴于这种情况，本文对MMC预充电进行详细的研究。
一般来说，换流器电容的预充电方式可分为他励和自励2种。自励是指由与换流器相连交流系统向电容器充电；他励是由辅助电源提供充电功率。目前在工程中大部分采用自励充电的方式。
考虑到MMC电容器结构上分布式的特点，在自励充电过程中，需要保持各SM电容能量的相对均衡，同时为限制充电电流，需要控制注入MMC 的功率大小。本文以单站MMC为研究基础，分析换流器闭锁时的不控充电过程，指出此阶段电容器的最终电压达不到额定值，可通过解锁换流器来提升电压。针对换流器解锁瞬间的冲击电流，对MMC 的多电平调制算法进行优化，从功率控制的角度，在直流电压控制器中加入斜率控制，以限制子模块低电压时换流器解锁后的电流大小。指出在由交流系统向两端MMC同时充电时，逆变站MMC电容电压可能不及整流站的1/2。针对逆变站电容电压的欠压问题，提出一种工程上比较适用的控制策略，通过数字和物理仿真，验证了其可行性。
1 MMC预充电动态过程
1.1 MMC的两阶段预充电
无论采用何种站级控制策略，只要两端均为有源交流网络，整流站和逆变站换流器的预充电均可直接通过直流电压控制得以实现。然而MMC解锁时，交流线路和换流器桥臂存在严重的瞬时过流，势必影响功率器件的安全性。若实际工程中子模块控制器(sub modular controller，SMC)采取电阻分压取能形式，起始时刻电容电压较低，SMC则无法从电容器上取能，无法完成驱动控制。而VSC为Boost 型换流器，仅通过反并联二极管充电，电容器电压达不到额定值。
可将预充电过程分为2阶段：第1阶段闭锁换流器，由反并联二极管向电容器进行不控整流充电；
待SM电容电压能量满足SMC取能要求后，解锁
换流器，转入第2阶段的直流电压控制充电。两端
为有源的MMC-HVDC，或者当其以STATCOM方
式运行时，可先断开直流线路，各站单独预充电，
待各站预充电完成后，根据需要连接直流线路。
1.2 MMC的不控充电过程
换流器闭锁时，交流系统通过SM反并联二极
管整流对电容器充电，为避免交流线路合闸时过冲
电流对功率器件的影响，可在交流线路中接入带有
旁路开关的限流电阻[12-13]。为减少合闸时连接变压
器的励磁涌流，将限流电阻接于变压器网侧。限流
电阻的阻值选取由功率器件的耐流决定，设限流电
阻折算到连接变阀侧值为R，如图1所示。
U ab=1 pu；U bc=?0.5 pu；U ca=?0.5 pu。
图1 一端交流电源向两端MMC不控充电
Fig. 1 Charging of MMC at both ends without control
supplied by one AC end
加载在各桥臂上的电压为交流线电压，桥臂充
电状态近似等效为一阶RC电路的零状态响应。各
SM电容电压相等，即
/
sm
?
(
)/(1e)
t
l
u t u Nτ?
=? (1)
式中：τ =2RC/N；u sm(t)为子模块电压；?
l
u为系统
线电压幅值；N为桥臂SM数。根据式(1)，不控充
电阶段，电容电压终值为
smm
?/
l
u u N
=。
MMC解锁后，交流输出相电压呈现n+1个电
平[6]，且满足
smN
2
?
u u
Mnε
= (2)
式中：u smN为SM电容电压额定值；?u
ε
为MMC交
流出口相电压幅值。定义调制比M，当M=1时，
输出电压?u
ε
达到最大值
m sm
?/2
u nu
ε
=；且换流器应
具备一定的无功输出能力，
p m
??
u u
ε
<。考虑有无冗余
模块设计时，n≤N。可得：
p
smm l
smNεεm
?
?
??
22
u Mnu
u Nu Nu
==< (3)
式中
p
?u为交流相电压幅值。
第35卷 第11期 电 网 技 术 69
当一端交流系统为无源交流网络时，或者需要整流站交流系统同时向两端MMC 提供充电电源，由整流站MMC 闭锁不控整流出的直流电压对逆变
站MMC 充电，其子模块电容电压近似满足：
/l sm ?()(1e )2t u u t N τ′?′=? (4) 式中：τ
' = RC / N ；电容电压终值为l ?/(2)u N 。 由式(4)可得：
p dcm l dcN εεm ???22u Mu u u u ==< (5) 式中：u dcm
为此阶段直流电压终值；u dcN 为直流电
压额定值。
综上所述，MMC 闭锁不控整流充电，所得子
模块电容电压值与系统设计参数(p m ??u u ε、)、桥臂SM 数N 及换流器输出电平数n + 1有关，整流站子模
/(2)N ，且逆变 站子模块电容电压仅为整流站的1/2。可以认为直 流电压仅与系统设计参数(p m ??u u ε、)有关，直流电压 终值近似等于系统交流线电压幅值，且小于额定值
/2。
为建立额定直流电压，可解锁换流器，通过控制换流器流进的功率以进一步对电容器充电。 1.3 单端MMC 解锁动态过程
以单端MMC 为研究对象，采用适用于多电平的最近电平(nearest level control)
[14]
调制策略，分析
解锁充电瞬间的动态过程，此时换流器与直流线路断开，MMC 单端等值电路如图2所示。
p
n
图2 单端MMC 等值电路
Fig. 2 Equivalent circuit of MMC at single end
设换流器t 0时刻解锁，则有
dc 0l ?()/u t nu N = (6) 当考虑换流桥臂冗余模块设计时，换流器解锁
后直流电压值较之前将有所降低，且随着冗余子模块的增加，直流电压跌落幅度增大。引入上下桥臂投入子模块数n p i 、n n i (i = a,b,c)，解锁时满足：
p 0p sm 0n 0n sm 0()()()()
i i i i u t n u t u t n u t =??
=? (7) 式中u p i 、u n i (i = a,b,c)为桥臂等效电压。
此时A 相电抗器阀侧等电位点[15]输出参考电压基频分量为
p 00a 0?()sin()()2M t t u t N ωδε+= (8) 式中 δ 为等电位点解锁时的电压初相，M (t 0)为解锁
时电压调制比。
换流器解锁后，该等电位点满足：
n 0p 00()()
()2
i i i u t u t u t ε?= (9) 结合式(6)—(9)，可得A 相上桥臂解锁瞬间投入模块数的近似表达式：
INT 00pa 0[()sin()]
()2
n f M t n t n t ωδ?+= (10)
式中：f INT 为取整数函数；pa 00()n t n ≤≤。 由式(10)可知，对于任意t 0均有：n pa (t 0)u sm (t 0) ≤ l ?u
。当n < N 时，则有pa 0sm 0l ?()()n t u t u <。换流器解 锁瞬间，在充电桥臂中投入充电的子模块个数减少，这些投入的子模块所构成的等效直流电压将小于交流系统线电压，线路中缺少足够大的阻尼元件，将引起较大的冲击电流。随着冗余模块的增加，两
者之间的压差越大，冲击电流随之越大。特别地当： n N = (11)
此时，n 个子模块形成的等效电压与系统线电压幅值相等。若直流电压指令保持与解锁前实际值不变，可以保证解锁瞬间：n pa
u sm (t 0) = u l (t 0)，实现
解锁零冲击电流。
换流器解锁后，由于电容平衡控制的作用改变了周期内桥臂子模块充放电状态，解锁动态过程更加复杂，难以得到冲击电流的定量计算结果。但在系统电压不变的情况下，冲击电流决定于换流器输出电压，由式(8)可知，其大小与换流器电平数n 、
桥臂子模块数N 、解锁时间t 0、解锁瞬间调制比M (t 0)
和换流器输出电压初相角 δ 有关。在参数一定的情况下，不考虑解锁时间，通过控制M 、δ 这2个自由度以限制冲击电流。
2 MMC-HVDC 预充电控制策略 2.1 单端MMC 解锁充电控制策略
本文所研究的策略主要针对MMC 解锁充电的控制。如前文所述，一般换流器解锁瞬间有一定的冲击电流，系统各电气量的稳定需经历一系列暂态
过程。为提高电流控制的响应速度和控制精度，控
制器采用双闭环解耦控制策略[27]：内环采用电压前
70 孔明等：模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略 V ol. 35 No. 11
馈和电流反馈的控制方法，以实现对冲击电流的快速直接控制；外环基于电网电压矢量定向控制策略，采用直流电压控制和无功功率控制。
正常运行时，以子模块额定电压为基准值来确定桥臂投切子模块数；而在换流器解锁充电阶段，子模块电压处于动态上升过程，若继续以额定电压为参考，换流器等电位点实际电压与控制器指令输出值将出现较大偏差，降低控制器电流调节性能。因此需对换流器的相关控制参数进行修改。
基于稳态工况下，MMC 子模块电容电压和直流电压的数学关系：
u dc (t ) = nu sm (t ) (12)
对调制方式适当改进，控制方式如图3所示。
图3 改进后的最近电平控制方式
Fig. 3 Optimized nearest level control mode
改进前后直流电压动态响应如图4所示(设定直流电压指令值u dcref 保持为u dc (t 0))。
t /s
u d c /p u
图4 直流电压动态响应仿真对比
Fig. 4 Comparison of DC voltage dynamic response
在投切子模块数生成环节，转而以直流电压瞬时值为基准值。这样增加换流器解锁瞬间桥臂投入的模块数和调制比，减少了暂态过程的超调量和调整时间；从调制算法的角度保证充电过程中子模块电压和直流电压的相对稳定，有助于控制器实现无差调节。
由于电容器的充电功率表现为有功，无功功率控制器参考值可设定为0，以减少充电电流的无功成分。
为控制注入换流器的有功功率，可借助带有斜率控制的直流电压控制器。直流电压参考初值可设
定为换流器解锁时的电压l ?/nu N ，以减小解锁时的换流器输出电压与系统电压相角差。
采用斜率直流电压控制，调制算法改进前后，单端MMC 直流电压和A 相电流比较如图5所示。
可以看出，采用改进型最近电平调制算法，解
t /s (a) 调制方法改进前后直流电压
u d c /p u
t /s (b) 调制方法改进前后A 相交流电流
i a /p u
??
图5 调制方法改进前后仿真对比
Fig. 5 Simulation comparison results with and without
the improved modulation
锁瞬间直流电压动态性能明显得以改善，交流冲击电流得到有效抑制。在控制器的作用下，直流电压严格按照所设定的斜率上升，此时，换流器出口电压峰值保持相对稳定，各子模块电容大小近似相等。无论是充电阶段还是正常运行阶段，改进后的最近电平控制方式均能够满足控制要求。
在稳定上升阶段(t 1 ≤ t ≤ t 2，设t 1为直流电压稳
定上升时刻，t 2为充电结束时刻)，子模块电压近似满足：
u sm (t ) = [h + k (t ? t 1)]u smN (13)
式中：h 为t 1时刻子模块电容电压的标幺值；k 为所设定的直流电压上升斜率值。
电容的充电功率为
22
sm
sm 1ac d[3(()())]d ()d d NC u t u t W P t
t t
?≈==
6kNCu smN [h + k (t ? t 1)] (14)
忽略高频分量，可得稳定上升阶段交流基频电流有效值关于时间的表达式：
I s (t ) = 2kNCu smN [h + k (t ? t 1)] /
U p (15)
式中U p 为交流相电压有效值。
给定充电电流上限I lim ，由式(15)可以确定斜率
控制参数k 的取值范围：
I U k ≤
(16) 2.2 两端MMC 预充电控制策略
由图1可知，由一端交流系统向两端MMC 预充电时，整流站预充电第1阶段结束后，逆变站电容电压为整流站的1/2；而第2阶段结束后，逆变
第35卷第11期电网技术 71
站MMC最终电容电压为u dcN/(2N)，仅为额定电压的n/(2N)，需采取必要的控制措施使电容达到额定值。
为解决无源侧MMC子模块电容电压不足的问题，需解锁换流器。无源侧的控制方式为无源交流电压控制[28]，为保证子模块充电的稳定性，充电期间交流电压初始参考值设为0。
在较高直流电压下解锁无源侧MMC时，必将产生较大冲击电流，造成整流子模块电容电压波动。可在直流电压建立的初期(采用SMC电阻分压取能时，电容电压应满足取能的最低要求)即解锁无源侧MMC，期间有源侧交流限流电阻仍串入线路中，以抑制无源侧MMC解锁冲击。解锁瞬间，直流电压跌落，然后逐步上升，期间有源侧子模块电容电压将保持不变，而无源侧子模块电容电压将持续上升，直至与整流侧电容电压相等，交流侧电流降至零。随后，有源侧MMC的控制可参照单站预充电控制策略，退出限流电阻，解锁换流器，进行带有斜率的直流电压控制，相较于单站解锁充电，交流系统的有功和电流将增加1倍。有源站MMC 解锁后，两端电容电压再同时上升，直至达到额定值附近，两端MMC充电完毕。上述两端MMC预充电控制策略，逆变站可根据本站电容电压和直流电压值确定其MMC解锁时间，整流站可根据本站交流侧电流和直流电压值确定其限流电阻退出和MMC解锁时间，整个过程可以不需要站间通信配合。
向无源系统供电柔性直流输电系统换流器预充电控制流程：
1）闭合直流线路隔离刀闸，断开限流电阻旁路开关，闭合有源侧MMC交流系统断路器，有源侧等效交流电源向换流器及直流输电线充电。
2）检测无源侧子模块电容电压，当达到一定值后，启动无源侧无源交流电压控制。
3）有源侧子模块电容电压稳定后，闭合旁路开关，退出限流电阻。
4）有源侧MMC启动带有斜率控制器的直流电压控制和设定值为0的无功功率控制。
5）待子模块电容电压和直流电压达到额定值，柔性直流输电系统换流器预充电完毕。
3 仿真验证
在PSCAD/EMTDC中建立向无源系统供电的柔性直流输电系统数字仿真电路，按一定比例搭建
低压样机物理仿真模型，以验证上述控制策略的有
效性。仿真系统主要参数详见表1。
表1仿真系统相关参数
Tab. 1 Parameters of the simulation systems
参数数字仿真物理仿真额定直流电压U dcN 60kV 200V
额定功率P 18MW 600W
交流电压U s 36.5kV 31.5V
阀电抗器L1，L2 53mH 14mH
连接变压器 36.5/31kV, u k=8% 375/1190V, u k=5.8%
限流电阻R e 100? 50?
子模块电容器C sm6000μF 5600μF
子模块额定电压U sm 1.25kV 20V
电平数 49 11 桥臂模块数 50 10 斜率控制器参数2pu/s 1pu/s
按照上述制定的预充电步骤，设定数字仿真的
主要时间节点：0.4s启动无源侧MMC直流充电控
制，0.5s限流电阻退出，0.56s有源侧MMC解锁；
物理仿真的时间节点：1s启动无源侧MMC直流充
电控制，1.25s限流电阻退出，1.3s有源侧MMC
解锁。得到数字和物理仿真结果如图6所示，图中
U dc、U sm、I s1分别为直流电压、子模块电压和交流
相电流标幺值。
从数字仿真结果来看，控制效果明显，换流器
解锁至稳定控制期间交流充电电流超调量小，动态
调整时间短，动态性能较好。由于测量和控制延时，
物理仿真解锁瞬间冲击电流要大于预期，但期间直
流电压和子模块电压仍能保持相对稳定，幅值限制
在1pu以内，过流得到一定控制。按照所设计的充
电控制策略和步骤，数字和物理仿真系统均能在控
制冲击电流的同时，建立额定的直流电压和子模块
电容电压。
4 结论
换流器的预充电环节是柔性直流输电系统启
动控制的中心环节，也是系统正常运行的基础。通
过对模块化多电平换流器的预充电过程分析和所
设计控制策略的数字和物理仿真验证，可得到如下
结论：
1）MMC不控充电阶段，与直流电压不同，子
模块电容最终电压与系统设计参数(
p m
??
u u
ε
、)、桥臂
SM数N和换流器输出电平数n+1有关。
2）冗余模块数越多换流器解锁瞬间冲击电流
越大。当冗余模块数为零时，结合双闭环控制器，
理论上可实现换流器零冲击电流解锁。
72
孔明等：模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略 V ol. 35 No. 11
t /s (a) 直流电压数字仿真结果
U d c /p u
t /s
(b) 直流电压物理仿真结果
U d c /p u
0.0
0.8
0.40.81.2 1.0 1.2 1.6 2.0
1.8
1.4
t /s (c) 子模块电容电压数字仿真结果
U s m /p u
t /s
(d) 子模块电容电压物理仿真结果
U s m /p u
t /s
(e) 有源侧换流器解锁前后交流电流数字仿真结果I s 1/p u
?1.0
0.5
0.00.51.00.6 0.7 0.8
?0.5 t /s
(f) 有源侧换流器解锁前后交流电流物理仿真结果I s 1/p u
?1.5
1.2
0.51.5 1.6 2.0 2.4
?0.5
图6 MMC 预充电仿真结果
Fig. 6 Pre-charging simulation results of MMC
3）换流器解锁期间，以实际子模块电容电压为调制基准值，有利于保证控制器的调节性能，最大程度抑制解锁冲击电流。
4）按照文中所述控制步骤，可解决无源侧
MMC 子模块电容电压欠压问题，使基于MMC 的柔性直流输电系统具备一定的黑启动能力。
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收稿日期：2011-03-27。
作者简介：
孔明(1986)，男，硕士研究生，研究方向为柔性
直流输电技术，E-mail：mkong@https://www.doczj.com/doc/65537962.html,；
邱宇峰(1961)，男，教授级高级工程师，研究方
向为电力电子控制保护技术；
贺之渊(1977)，男，博士，高级工程师，研究方
向为FACTS、HVDC及其相关试验方法。
孔明
（责任编辑马晓华）
多电平逆变器主要控制策略综述 ( 本站提供应用行业：阅读次数：1082) 【字体：大中小】 1 引言 多电平逆变器具有谐波小、共模电压小、电压变化率小、电磁干扰小、开关频率低、系统效率高、适合中高压大容量变频器应用等特点，近十年得到广泛的研究[1]。研究主要集中在拓扑结构、控制策略两方面。图1是多电平逆变器的主要研究内容。 图1 多电平逆变器主要研究内容 由于多电平逆变器拓扑结构的多样性，且涉及到直流电压的均衡、开关频率的合理分配、冗余状态的利用等特殊要求，使得对多电平逆变器的控制具有一定的挑战性。 2 载波调制方法(Carrier-based Modulation) 载波调制是最常用的多电平控制方法之一，其特点是通过载波和调制波(或参考波)间的比较而获得器件的开关状态。载波调制按其采样方法可分为:自然采样和规则采样，自然采样一般用于模拟电路实现，规则采样用于数字实现。规则采样又分对称和不对称采样。在载波调制中，对于m电平逆变器，常定义幅度调制比ma和频率调制比mf分别为: 其中Ac为载波峰峰值，fc为载波频率，Am为调制波峰值，fm为调制波频率。多电平载波调制由于载
波个数的增加，而变得较复杂，但也给控制提供了更多的自由度。 2.1 子谐波脉宽调制SHPWM(SubHarmonic PWM) 由Carrara[2]提出的SHPWM的基本原理是:对m电平逆变器，将m-1个具有相同频率fc和峰峰值Ac的三角载波集连续分布。频率为fm、幅值为Am的正弦调制波置于载波集的中间。将调制波与各载波信号进行比较，得到逆变器的开关状态。在载波间的相位关系方面，Carrara考虑了三种典型配置方案: (1) PD—所有载波具有相同相位; (2) POD—正、负载波间相位相反; (3) APOD—相邻载波间相位相反。 图2是SHPWM采用PD配置的波形图。SHPWM的最大线性幅度调制比ma为1。对SHPWM的研究有如下一些重要结论[3]: ·对于三相系统，频率比mf应为取3的倍数; ·单相逆变器，APOD配置电压谐波最小; ·三相逆变器，PD配置线电压谐波最小。 图2 5电平SHPWM-PD波形(ma=0.9，mf=21) 2.2 开关频率最优脉宽调制SFOPWM(Switching Frequency Optimal PWM) 由Steinke[4]提出的SFOPWM与SHPWM基本原理相同，只是前者在三相正弦调制波中叠加了一定的零序电压(三次谐波电压)。设三相均衡参考电压分别为va，vb，vc，叠加零序电压vn，后三相参考电压分别为varef，vbrdf，vcref，具体叠加方法为:
多电平逆变电路的三种控制方法 多电平变换器PWM控制方法可分为两大类：三角载波PWM技术和直接数字技术（空间电压矢量法SVPWM），它们都是2电平P WM在多电平中的扩展。 1. 三角载波PWM方法 ①消谐波PWM（SHPWM）法 消谐波PWM法的原理是电路的每一相使用一个正弦调制波和几个三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关断该器件。为了使M－1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且对称地分布在零参考量的正负两侧。消谐波PWM是2电平三角载波PWM在多电平中的扩展。 ②开关频率最优PWM（SFOPWM）法 开关频率最优法是由2电平三角载波PWM扩展而来。它的载波要求与SHPWM法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量。对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM的调制波是三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电压调制比达到1.15。但是该方法只能用于三相系统。因为在单相系统
中注入的零序分量无法互相抵消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问题。实际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空间矢量法是一致的，它相当于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法。所以，SFOPWM法可以看成是2电平空间电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。 ③三角波移相PWM（PSPWM）法 三角载波移相PWM法是一种专门用于级联型多电平变换器的P WM方法。这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM 信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一个相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使得各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关率提高到原来的Keff倍，在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。 2. 空间电压矢量PWM方法 多电平PWM的空间电压矢量法与其它方法比较是较为优越和应用广泛的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能，无其它控制方法所需存储的大量角度数据，并且母线利用率高。多电平空间矢量PWM是根据2电平空间矢量控制法推广得到的，可以认为多电平空间矢量控制思想与2电平是一致的。对某一个空间电压矢量，是用该区域相应的电压矢量适时切换合成所得。所不同的是
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。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、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
柔性直流输电系统的改进型相对控制策略 摘要：电压源换流器(VSC)中交流滤波器可滤除交流网络侧谐波，交流侧换流电 抗器或换流变压器有助于交流网络和VSC的能量交换，直流侧电容器可减小换流 桥切换时的冲击电流，同时也可滤除直流网络侧谐波。 关键词：柔性直流输电；控制策略；应用 前言 在柔性直流输电系统(VSC－HVDC)中电压源换流器采用全控型可关断器件，可实现对交流无源网络供电，同时对有功功率、无功功率进行控制。笔者采用外环 电压控制和内环电流控制，外环电压控制中送端VSC系统采用相对控制策略，通 过分别控制输出电压相对发电机端电压的相位角和幅值，进而控制其与送端系统 交换的有功功率和无功功率。受端VSC系统采用定交流电压和定直流电压控制方法，通过调制比和移相角信号产生器件的驱动脉冲，内环控制采用空间矢量控制 策略，PI控制器实现对d、q轴电流的解耦控制，运用PSCAD/EMTDC暂态仿真软 件建立相应的内外环控制模型，验证所设计控制方案的有效性和可靠性。 1柔性直流输电技术的概述 1.1柔性直流输电技术概念 柔性直流输电技术是由加拿大的科学家开发出来的。这是一种由电压源换流器、自关断器和脉宽调制器所共同构成的直流输电技术。作为一种新型的输电技术，该技术不仅可以向无源网络进行供电，还不会在供电的过程中出现换相失败 的现象。在实际使用的过程中，换相站之间不会直接依赖于多端直流系统进行运作。柔性直流输电技术属于一类新型的直流输电技术。虽然在结构上和高压输电 技术相类似。但是整体结构仍然是由换流站和直流输电线路构成的。 1.2柔性直流输电的特点 柔性直流输电是由高压直流输电改造而来的。应该说在技术性和经济性方面 都有很大的改善。具体来说，柔性直流输电技术内部的特点可以表现为如下几个 方面： （1）在运用柔性直流输电技术的过程中，如果能够有效地采用模块化设计的技术，其生产和安装调试的周期都会最大限度地缩短。与换流站有关的设备都能 够在安装和使用的过程中完成各项试验。 （2）柔性直流输电技术内部的VSC换流器是以无源逆变的方式存在的。在使用的过程中可以向容量较小的系统或者不含旋转机电的系统内部进行供电。 （3）柔性直流输电技术在使用的过程中都伴随有有功潮流和无功潮流 （4）整个柔性直流输电系统可以有效地实现自动调节。换流器不需要经常实现通信联络。这也就在很大程度上减少了投资、运行和维护的费用。 （5）整个柔性直流输电技术内部的VSC换流器可以有效地减弱产生的谐波，并减少大家对功率的要求。一般情况下，只需要在交流母线上先安装一组高质量 的滤波器，就可以有效地满足谐波的要求。目前，多数无功补偿装置内部的容量 也不断地减少。即便不装换流变压器，内部的开关也可以更好地被简化。 2柔性直流输电技术的战略意义 目前，柔性直流输电技术在智能电网中一直都发挥着重要的作用。一般来说，柔性直流输电技术可以有效地助力于城市电网的增容改造和交流系统内的互联措施。目前，多数柔性直流输电技术也在大规模风电场建设的过程中发挥出了较好 的技术优势。如果大面积地选择柔性直流输电技术，将会在很大程度上改变电网
柔性直流输电 一、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。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、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 二、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 1. 换流器阀所用器件的对比。 1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，
目录 目录 1 绪论 (1) 1.1研究背景及意义 (1) 1.2国内外研究进展 (2) 1.2.1 STATCOM装置的应用与发展 (2) 1.2.2 STATCOM的主电路拓扑研究现状 (3) 1.2.3 STATCOM控制方法研究现状 (5) 1.2.4 STATCOM调制策略的研究 (6) 1.3本文的主要研究内容 (8) 2 级联H桥STATCOM的工作原理与建模 (9) 2.1STATCOM的结构与无功补偿原理 (9) 2.1.1 STATCOM的拓扑结构分析 (9) 2.1.2 STATCOM的无功补偿原理 (10) 2.2H桥模块的工作模式 (12) 2.3STATCOM的CPS-PWM调制技术 (13) 2.4STATCOM的数学模型 (14) 2.5本章小结 (15) 3 级联H桥STATCOM的控制策略 (16) 3.1级联STATCOM的控制系统结构 (16) 3.2级联STATCOM的直接电流控制 (16) 3.2.1基于PI控制的电流跟踪控制技术 (17) 3.2.2基于无源控制的电流跟踪控制技术 (19) 3.3级联STATCOM的直流侧电容电压平衡控制 (22) 3.3.1 直流侧电容电压的波动成因分析 (22) 3.3.2 直流侧电容电压不平衡的产生机理 (23) 3.3.3 直流侧电容电压整体控制 (24) 3.3.3 基于调制波平移的直流侧电容电压平衡策略 (25) 3.4仿真结果分析 (27) 3.4.1 电流跟踪效果仿真分析 (27) 3.4.2 直流侧电压平衡控制仿真 (30) 3.5本章小结 (32) 4 级联H桥STATCOM的故障容错技术 (33) 4.1故障容错的重要性 (33) 4.2冗余方案与故障隔离方案的选取 (33) 4.2.1冗余方案的选取 (33) I
高压多电平双向DC-DC变换器文献综述 一、前言 本次文献调研的主题为高压多电平双向DC-DC变换器。下载到的文献中与该主题相关的有10篇，完全符合该主题的文献有参考文献[1][2][3][4]，其它6篇文献则侧重于高压和双向这两个关键词。以下是文献调研的主要内容。 二、主要内容 文献[1] [2]介绍了一种电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器。该变换器由5个独立的模块级联而成，每个模块由三个MOS管和一个箝位电容组成，如下图所示。通过控制每个模块中MOS管的通断可以使每个模块运行在正常工作和旁路状态，选定不同模块的工作状态可以实现不同电平的输出，并且可以使输入输出电压的比值不同。从每个模块的电路结构可以看出，能量可以实现双向流动。从下图1可以看出整个电路中没有像常规的DC-DC变换器那样使用电感作为储能装置，这种无感设计的原则提高了装置的效率和可靠性。 本文中作者的实验装置功率为5kW，电平数为6。当输入电压为250V，负载为1.76Ω时，装置效率达到了95.1%。 图1. 电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器 文献[3]介绍的电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器与上文介绍的拓扑结构一样。文中详细分析了该电路的不同工作状态和等效电路图，该拓扑相比传统的飞跨电容型多电平变换器可以减少开关管的数量和电容耐压等级。 文献[4]介绍的模块化多电平双向DC-DC变换器的拓扑结构类似于测井变频电源的拓扑结构，它的每个模块拓扑为移相全桥电路，整个变换器由模块的输入并联输出串联组合而成，如下图2所示。之所以采用这样的拓扑是与作者研究的方向——波浪能发电有关。 在文中，作者着重叙述了梯形载波的控制方法与三角载波控制方法的不同，提出了梯形载波控制方法能够提高装置的效率。梯形载波控制方法中的开关频率是通过迭代的算法计算得到的。该方法最大的优点是根据实际的功率需求情况，依据装置的效率曲线来决定每个模块是处于并联工作状态还是旁路工作状态。在文中作者通过两模块的实验来证明梯形载波控制方法能够使装置运行在最大效率点处。
模块化多电平换流器型直流输电 【摘要】电网规模不断扩大，清洁能源的开发利用越来越受到关注，智能电网让太阳能、风能等新能源并入电网并能对其介入过程自行控制，对清洁能源的投入并网和补偿机制的研究势在必行。本文结合南汇风电场柔性直流输电工程，简单分析柔性直流输电的控制原理及基础理论。 【关键词】柔性直流控制方式换流阀 1引言 上海南汇柔性直流输电技术示范工程是国内首例柔性直流输电工程，将上海南汇风电场发出的风电能源并入上海电网之内。 柔性直流输电技术通过对两端电压源换流器的有效控制可以实现两个交流有源网络之间有功的相互传送，在有功传送的同时，各端电压源换流器还可以调节各自所吸收或发出的无功，对所联两端交流系统予以无功支持，是一种具有快速调节能力、多控制变量的新型直流输电系统。 2一次系统结构 柔性直流换流站的一次系统结构为35KV交流系统通过开关连接至换流变，将交流侧的电压变换为换流阀输入所需要的电压（31KV）然后进行交/直流变换（直流电压为±30KV），通过直流线路输送至对侧换流站再进行直/交流变换。每个桥臂每相分别安装一个阀电抗器。阀电抗器是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，它决定换流阀的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时阀电抗器能抑制换流阀输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。另外，换流电抗器还能抑制短路电流。 3柔性直流运行模式和控制方式 MMC可以通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，独立地控制输出的有功功率和无功功率。 有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于Uc。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Uc就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可视为一无转动惯量的电动机或发电机，可以实现有功和无功功率的瞬时独立调节，进行四象限运行。 4柔性直流换流阀原理 模块化多电平换流器阀是由多个IGBT子模块进行级联而成的，单个子模块
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目录 摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................ II 第1章绪论 .. (1) 1.1课题研究背景及意义 (1) 1.2模块化多电平换流器的国内外研究现状 (3) 1.2.1 环流控制技术的研究现状 (5) 1.2.2 电容电压波动抑制技术的研究现状 (6) 1.3本文的主要研究内容 (8) 第2章模块化多电平换流器的数学模型及控制策略 (10) 2.1子模块的工作原理 (10) 2.2模块化多电平换流器的数学模型 (11) 2.3模块化多电平换流器的调制策略 (12) 2.4MMC的控制策略 (14) 2.4.1 总体控制 (14) 2.4.2 均衡控制 (15) 2.4本章小结 (16) 第3章基于比例重复控制器的环流谐波抑制方法 (18) 3.1本文提出的环流控制方法 (18) 3.2比例重复控制器的离散化数字设计 (20) 3.3基于比例重复控制器的MMC整体控制结构 (22) 3.4仿真分析 (22) 3.5本章小结 (23) 第4章电容电压波动分析及抑制方法 (25) 4.1电容电压波动的形成机理及波动成分 (25) 4.2基于比例谐振控制器的共模波动抑制方法 (27) 4.3基于高频环流注入的差模波动抑制方法 (28) 4.3.1 正弦波高频环流注入及MMC低频运行控制策略 (28) 4.3.2 优化的高频环流注入法 (30) 4.3.3 针对高频环流注入法的子模块电容参数设计 (32) 4.3.4 梯形波高频环流注入 (33) 4.4仿真分析 (34)
电力电子专题课程 结课作业 题目：多电平换流器技术 姓名：倪晓军 学号：1122201133 班级：研电1206 任课老师：韩民晓
一多电平换流器技术概述 按照输出电压的电平数，换流器可以分为两电平换流器和多电平换流器。两电平换流器的拓扑结构如图1-1所示，图中采用的开关器件是带反并联二极管的IGBT，通过控制可关断器件的导通和关断，在换流器输出端将直流电容电压的正极性(p)与负极性(n)电压分别引出，实现直流电能与交流电能互相转换。两电平换流器的主要优点有：电路结构简单，电容器数量少，占地面积小，所有阀容量相同等优点。但是，在许多应用场合，两电平换流器的阀需要承受的电压很高，所以单个阀需要串联大量开关器件，由此带来串联器件的静态、动态均压问题。两电平换流器还会产生很高的阶跃电压，对交流设备极为有害。为了避免出现上述技术难题，于20世纪80年代，一种新型的换流器新思路——多电平换流器开始出现，并受到了越来越多的关注。所谓多电平换流器是指换流器输出电压波形中的电平数等于或者大于3的换流器，如三电平、五电平、七电平等。所谓电平数，是指换流器输出电压波形中，从正的最大值到负的最大值之间所含的阶梯数。多电平换流器降低了两电平换流器对开关器件开关一致性和均压性的要求，可通过合适的调制方式减少开关器件的开关损耗，同时保持交流侧较低的谐波，降低了换流器的阶跃电压。 n 图1-1两电平换流器主电路 二多电平换流器拓扑 经过多年的发展，按照多电平换流器的结构特点，主要形成了以下几种多电平换流器拓扑：(1)二极管钳位型多电平换流器；(2)飞跨电容型多电平换流器； (3)级联型多电平换流器；(4)模块化多电平换流器（MMC）。
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
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。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、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 （1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 （2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 （3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 （4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大）， 不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
1. 换流器阀所用器件的对比。 （1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 （2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 （1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，可以输送大功率。 （2）柔性直流输电系统中的换流阀采用了IGBT器件，可实现很高的开关速度，在触发控制上采用PWM技术，开关频率相对较高，换流站的输出电压谐波量较小，主要包含高次谐波。故相对于常规直流输电，柔性直流输电换流站安装的滤波装置的容量大大减小。（3）常规直流输电通过换流变压器连接交流电网，而柔性直流输电是串联电抗器加变压器，常规直流输电以平波电抗器和直流滤波器来平稳电流，而柔性直流输电则采用直流电容器。 3. 换流站控制方式的对比。 （1）常规直流输电系统的换流站之间必须进行通信，以传递系统参数并进行适当的控制，而柔性直流输电系统中各换流站之间的通信不是必需的。
柔性直流输电技术 目录 简介 (1) 原理 (2) 战略意义 (3) 应用前景展望 (4) 常规直流输电与柔性直流输电的对比 (5) 一、常规直流输电技术 (5) 二、柔性直流输电技术 (6) 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 (7) 四.运行方式 (8)
简介 柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi 等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。 李岩，罗雨，许树楷，周月宾等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望．《南方电网技术》，2015讲述了柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展
的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。 柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。其中最为关键的核心部位是 VSC ，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。这主要是由于浮动数值和相位都可以利用脉宽调制技术来进行智能化调解。因此，VSC 的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节 原理 与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。 通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流 电压下垂控制 学院： 姓名： 学号： 组员： 指导老师： 日期： 摘要： 多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。 关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器 一、引言 基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。 多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流
山东大学博士学位论文 目录 摘要………………………………………………………………………………………………………………ＩＡＢＳＴＲＡＣＴ…………………………………………………………………………………………………．．ＩＶ第一章绪论………………………………………………………………………．．１１．１课题研究背景及意义……………………………………：…………………１１．２储能型多电平变换器………………………………………………………９１．３本文的主要工作…………………………………………………………一１１第二章ＭＭＣ．ＢＥＳＳ系统的工作原理及控制策略………………………………１３２．１引言…………………………………………………………………………１３２．２ＭＭＣ变换器工作原理……………………………………………………１３２．３ＭＭＣ变换器控制策略……………………………………………………１５２．３．１交流输出功率控制…………………………………………………ｌ６ ２．３．２ＳＭ电容电压均衡控制……………………………………………ｌ７ ２．３．３环流控制…………………………………………………………．．１９２．４ＭＭＣ．ＢＥＳＳ系统工作原理及控制策略…………………………………．２０２．４．１ＭＭＣ．ＢＥＳＳ系统工作原理………………………………………２０ ２．４．２ＭＭＣ．ＢＥＳＳ系统ＳＯＣ均衡控制………………………………一２３ ２．４．３ＭＭＣ－ＢＥＳＳ系统环流控制及并网直流分量抑制………………．２５ ２．４．４ＭＭＣ．ＢＥＳＳ系统整体控制策略…………………………………２６２．５仿真验证…………………＿………………………………………………２７２．６实验验证……………………ｊ……………………………………………．２９２．７本章小结…………………………………………………………………．．３１第三章ＭＭＣ—ＢＥＳＳ系统混合模型预测控制策略………………………………３３
0 引言 多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。首先，对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(THD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的d v/d t应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。因此，多电平变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。 1 多电平变换器的拓扑结构 国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种： 1）二极管中点箝位型（见图1）； 2）飞跨电容型(见图2)； 3）具有独立直流电源级联型（见图3）； 4）混合的级联型多电平变换器。 图1 二极管箝位型三电平变换器 图2 飞跨电容型三电平变换器
图3 级联型五电平变换器 其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。 二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。缺点是电容均压较为复杂和困难。在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。 飞跨电容型多电平变换器，由于采用了电容取代箝位二极管，因此，它可以省掉大量的箝位二极管，但是引入了不少电容，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。另外这种拓扑结构，输出相同质量波形的时候，开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。目前，这种拓扑结构还没有达到实用化的地步。 级联型多电平变换器的优点主要是同数量电平的时候，使用二极管数目少于拓扑结构1）；由于采用的是独立的直流电源，不会有电压不平衡的问题。其主要缺点是采用多路的独立直流电源。目前，这种拓扑结构也有实用化的产品。 2 多电平变换器的控制策略 从目前的资料来看，多电平变换器主要有5种控制策略，即阶梯波脉宽调制、特定消谐波PWM、载波PWM、空间矢量PWM、Sigma-delta调制法。 2.1 阶梯波脉宽调制[1][2][3] 阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是比较直观的方法。典型的阶梯波调制的参考电压和输出电压如图4所示。在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除。2m＋1次的多电平的阶梯波调制的输出电压波形的傅立叶分析见式(1)及式(2)。消除k次谐波的原理就是使电压系数b k为0。这种方法本质上是对做参考电压的模拟信号作量化的逼近。从图4中不难看出这种调制方法对功率器件的开关频率没有很高的要求，所以，可以采用低开关频率的大功率器件如GTO来实现；另外这种方法调制比变化范围宽而且算法简单，控制上硬件实现方便。不过这种方法的一个主要缺点就是输出波形的谐波含量高。 图4 九电平阶梯波输出电压波形 v t(t)=b n sin nωt（1） b n=[V cos nα1＋2V cosnα1＋……＋jV cos nαj＋……＋mV cosnαm]（2） 2.2 多电平特定消谐波法[4][5][6] 多电平的特定消谐波法也被称作开关点预制的PWM方法。这种方法是建立在多电平阶梯波调制方法的基础之上的。这种方法的原理就是在阶梯波上通过选择适当的“凹槽” 有选择性地消除特定次谐波，从而达到输出波形质量提高和输出THD减小的目的。这种方法的消谐波和阶梯波的消谐波一样，唯一不同的就是输出电压波形的傅立叶分析后的系数 b n有所不同。现以五电平的特定消谐波的一个输出电压波形(如图5所示)来分析傅立叶分解
柔性直流输电系统控制研究综述 发表时间：2019-07-31T09:57:32.497Z 来源：《防护工程》2019年8期作者：米志伟 [导读] 以及与他人的差距，我们需要不断地改进自身的缺点并弥补自身的不足，为我国的电力行业发展做出贡献。 全球能源互联网研究院有限公司 102209 摘要：柔性直流输电作为新一代直流输电技术，目前被认为是实现新能源并网和直流电网的极具潜力的输电方式，也是构建未来智能化输电网络的关键技术。柔性直流输电系统的控制是影响输电系统运行性能的关键因素之一。为此，针对柔性直流输电系统控制进行研究，首先概述了两端柔性直流输电系统接线及控制方式，着重分析了多端柔性直流输电系统的拓扑结构及其优缺点，介绍了多端柔性直流系统协调控制和功率优化控制的主要方法。然后讨论了柔性直流输电系统附加控制的多种方法，并分析了风电接入下柔性直流输电系统的控制。最后对未来直流电网构建中柔性直流输电控制技术的研究方向提出了一些建议，为后续的研究工作提供参考。 关键词：柔性直流输电；系统控制；协调控制 1前言： 柔性直流输电是一种新型直流输电技术，可以快速独立地控制与交流系统交换的有功和无功功率，控制公共连接点的交流电压，潮流反转方便灵活，可以自换相，具有提高交流系统电压稳定性、功角稳定性、降低损耗、事故后快速恢复等功能。直流控制保护系统是柔性直流输电工程的核心，对保证其性能和安全至关重要。 目前，柔性直流输电系统控制保护的工程经验比较少，对控制保护的系统方案进行研究对工程应用具有指导意义。柔性直流输电系统控制保护与传统直流输电系统控制保护存在较大的不同，在性能和快速性上具有更高的要求。传统直流输电系统的控制速度要求在毫秒级，柔性直流输电系统的要求要高一个数量级，且控制保护功能更复杂。 2柔性直流输电系统基本控制策略 无论是基于两电平、三电平拓扑结构还是基于模块化多电平拓扑结构的柔性直流输电系统，其基本控制策略都可采用基于直接电流控制的矢量控制方法。关键是适应柔性直流输电系统控制保护快速性、高性能的要求，具有快速的电流响应特性和良好的内在限流能力。本文所设计的矢量控制方法由外环控制策略和内环电流控制策略组成。外环控制产生参考电流指令，内环电流控制产生期望的参考电压。两者的功能要求如下。 2.1内环电流控制 内环电流控制产生换流器输出的三相电压参考值，并以此作为调制信号控制换流器的输出交流电压和交流电流。考虑到交流电流依赖于换相电抗器上的电压降，内环电流控制本质上是调节换相电抗器上的电压降。 内环电流控制可采取适合工程实现的无差拍控制方式，其控制原理如图1所示，包括交流母线电压的前馈、决定换相电抗器上压降的电流指令的前馈和交流电流的反馈控制。使用交流电流反馈控制的必要性在于电抗器的值不一定准确，并且交流侧母线电压测量也不可能100％精确。 对于基于模块化多电平技术的换流器，需要对换流阀同一相各个子模块电容电压的均衡和换流阀环流进行控制。子模块电容电压的平衡控制根据桥臂电流的方向来选择子模块导通或者关断的状态。当需要减小子模块电容电压时，子模块的导通状态应当选择在桥臂电流放电期间使电容放电；当需要增大直流电容电压时，子模块的导通状态应当选择在桥臂电流充电期间使电容充电；从而实现子模块的电压平衡。换流阀环流控制是用来抑制多电平换流器相间流动的具有负序二倍频特性的环流。环流产生的主要机理为各相子模块电压和不平衡，因此换流阀环流控制的关键是要实现各相子模块电压和平衡。 2.2外环控制 外环控制计算换流器内环电流控制需要的交流电流指令值，主要包括直流电压参考值调节、有功功率参考值调节、有功功率控制、直流电压控制、交流电压控制、无功功率控制、电流指令计算及限幅等功能模块。 直流电压参考值调节的目的是优化直流输电系统运行工况，使换流器的损耗最小，该控制功能需与变压器分接头调节相配合。 有功功率参考值通常由运行人员手动设置，以维持直流输电系统传输的有功功率恒定。当频率控制功能投入时，有功功率参考值将根据系统频率的偏差控制进行调节，在这种情况下，频率控制将可以保持风电场的频率恒定。在交流系统发生故障时有功功率参考调节应自动进行调节来保持直流侧的电压在可控范围内，避免出现危及设备安全的情况。有功功率控制是直流输电系统的主要控制模式，在这种运行模式下，控制系统通常根据有功功率参考值控制换流器与交流系统交换的有功功率。在有功功率控制下，为了保持直流输电系统输送功率恒定，控制系统通过对电流的相应调整来补偿电压的波动。 直流电压控制产生的电流指令控制流过换流器的有功功率的大小，保持直流侧电压为设定值，在柔性直流输电系统中，通常选取一个换流站进行直流电压控制。 交流电压控制产生换流器的无功功率指令，并由两个换流站独立进行控制，该参考值可以由运行人员输人。利用交流电压控制可以实
个人总结-多电平变换器的拓扑结构和控制 策略(s h r i m p l m)
多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。首先，对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(T HD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的dv/dt 应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。因此，多电平变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。 1 多电平变换器的拓扑结构 国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种： 1）二极管中点箝位型（见图1）； 2）飞跨电容型(见图2)； 3）具有独立直流电源级联型（见图3）； 4）混合的级联型多电平变换器。
图1 二极管箝位型三电平变换器 图2 飞跨电容型三电平变换器 图3 级联型五电平变换器 其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。 二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。缺点是电容均压较为复杂和困难。在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。