Frequency-division and Hierarchical Control of Modular Multilevel Matrix Converter for Flexible Low-frequency Transmission

Xiaodan WU; Haiyong ZHU; Yunlong DONG; Jie TIAN; Yu LU; Chen YANG

doi:10.7500/AEPS20201222003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Frequency-division and Hierarchical Control of Modular Multilevel Matrix Converter for Flexible Low-frequency Transmission

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Frequency-division and Hierarchical Control of Modular Multilevel Matrix Converter for Flexible Low-frequency Transmission
- Automation of Electric Power Systems Vol. 45, Issue 18, Pages: 131-140(2021)
- 作者机构：
  
  南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key R&D Program of China(2017YFB0903100);Sate Grid Corporation of China(521104170043)
- DOI：10.7500/AEPS20201222003
  CLC：
- Received：22 December 2020，
  
  Revised：2021-05-06，
  
  Published Online：13 July 2021，
  
  Published：25 September 2021
- 稿件说明：
移动端阅览
吴小丹,朱海勇,董云龙等.面向柔性低频输电的模块化多电平矩阵变换器分频分层控制[J].电力系统自动化,2021,45(18):131-140.

WU Xiaodan,ZHU Haiyong,DONG Yunlong,et al.Frequency-division and Hierarchical Control of Modular Multilevel Matrix Converter for Flexible Low-frequency Transmission[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(18):131-140.
吴小丹,朱海勇,董云龙等.面向柔性低频输电的模块化多电平矩阵变换器分频分层控制[J].电力系统自动化,2021,45(18):131-140. DOI： 10.7500/AEPS20201222003.

WU Xiaodan,ZHU Haiyong,DONG Yunlong,et al.Frequency-division and Hierarchical Control of Modular Multilevel Matrix Converter for Flexible Low-frequency Transmission[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(18):131-140. DOI： 10.7500/AEPS20201222003.

摘要

基于全桥结构的模块化多电平矩阵变换器（M3C）提出了三相柔性低频输电系统的分频分层控制策略。从双频功率耦合的机理出发，分析了M3C的工作原理，在旋转坐标系下分别实现了工频侧和低频侧的控制。在保证系统总有功功率平衡的前提下，通过在工频侧注入负序电流实现功率模组电容电压的相间均衡，在静止坐标系下通过桥臂内工频环流控制实现功率模组电容电压的相内均衡，所提的层次化控制可实现系统对称及不对称条件下基于M3C的柔性低频输电系统的稳定运行。根据对相单元瞬时功率的分析，提出仅用2种不同频率的滑差滤波器以确保功率模组电容电压偏差控制的暂稳态特性。搭建了双端柔性低频输电系统仿真模型，验证了所提控制策略的有效性和可行性。

Abstract

This paper proposes a frequency-division and hierarchical control strategy for three-phase flexible low-frequency transmission system based on the full-bridge modular multilevel matrix converter (M3C). The operation principle of M3C is analyzed from the mechanism of dual-frequency power coupling. The control of fundamental-frequency and low-frequency side of M3C is realized in the rotating coordinate system. On the premise of maintaining the total active power balance of the system

the balance of capacitor voltage of power modules among three phases is realized by injecting the negative sequence current into the fundamental-frequency side. And the balance of capacitor voltage of power modules inside each phase is realized by the fundamental-frequency circulating current control inside the bridge arm in the static coordinate system. The proposed hierarchical control can realize the stable operation of the flexible low-frequency transmission system based on M3C under symmetrical and asymmetrical conditions. According to the analysis of the instantaneous power of each phase unit

it is proposed to use only two kinds of sliding filters with different frequencies to ensure the transient stability in the capacitor voltage deviation control of power modules. Finally

a simulation model of the dual-terminal flexible low-frequency transmission system is built to verify the effectiveness and the feasibility of the proposed control strategy.

关键词

Keywords

references

WANG X F . The fractional frequency transmission system ［C］// IEE Japan Power & Energy ， 1994 ， Tokyo， Japan ： 53 - 58 ．

WANG X F ， WANG X L . Feasibility study of fractional frequency transmission system ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1996 ， 11 （ 2 ）： 962 - 967 .

WANG X F ， CAO C J ， ZHOU Z C . Experiment on fractional frequency transmission system ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2006 ， 21 （ 1 ）： 372 - 377 .

王锡凡，王秀丽，滕予非 . 分频输电系统及其应用［J］. 中国电机工程学报， 2012 ， 32 （ 13 ）： 1 - 6 .

WANG Xifan ， WANG Xiuli ， TENG Yufei . Fractional frequency transmission system and its applications ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2012 ， 32 （ 13 ）： 1 - 6 .

王锡凡，刘沈全，宋卓彦，等 . 分频海上风电系统的技术经济分析［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 3 ）： 43 - 50 .

WANG Xifan ， LIU Shenquan ， SONG Zhuoyan ， et al . Technical and economical analysis on offshore wind power system integrated via fractional frequency transmission system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 3 ）： 43 - 50 .

王锡凡，卫晓辉，宁联辉，等 . 海上风电并网与输送方案比较［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 31 ）： 5459 - 5466 .

WANG Xifan ， WEI Xiaohui ， NING Lianhui ， et al . Integration techniques and transmission schemes for off-shore wind farms ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 31 ）： 5459 - 5466 .

RUDDY J ， MEERE R ， O’LOUGHLIN C ， et al . Design of VSC connected low frequency AC offshore transmission with long HVAC cables ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2018 ， 33 （ 2 ）： 960 - 970 .

黄明煌，王秀丽，刘沈全，等 . 分频输电应用于深远海风电并网的技术经济性分析［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 5 ）： 167 - 174 .

HUANG Minghuang ， WANG Xiuli ， LIU Shenquan ， et al . Technical and economic analysis on fractional frequency transmission system for integration of long-distance offshore wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 5 ）： 167 - 174 .

MA J K ， DAHIDAH M ， PICKERT V ， et al . Modular multilevel matrix converter for offshore low frequency AC transmission system ［C］// 2017 IEEE 26th International Symposium on Industrial Electronics （ISIE）， June 19-21 ， 2017 ， Edinburgh， UK ： 768 - 774 .

MAJUMDER R ， AUDDY S ， BERGGREN B ， et al . An alternative method to build DC switchyard with hybrid DC breaker for DC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 2 ）： 713 - 722 .

WANG X F ， WANG X L . Feasibility study of fractional frequency transmission system ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1996 ， 11 （ 2 ）： 962 - 967 .

徐云飞，肖湘宁，孙雅旻，等 . 应用于高压低频输电的H桥级联型矩阵变换器环流机理分析［J］. 电工技术学报， 2017 ， 32 （ 6 ）： 191 - 200 .

XU Yunfei ， XIAO Xiangning ， SUN Yamin ， et al . Circulating current analysis of cascaded H-bridge matrix converter for high voltage low-frequency AC transmission ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 191 - 200 .

阎彦，王超，史婷娜 . 矩阵变换器开关切换点优化预测电流控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 20 ）： 6017 - 6024 .

YAN Yan ， WANG Chao ， SHI Tingna . Predictive current control strategy of matrix converter with variable switching point ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 20 ）： 6017 - 6024 .

李姝玉，于弘洋，葛菁，等 . 双端口矩阵变换器在工/低频电网互联下的电容及电压波动特性分析［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 4 ）： 1437 - 1444 .

LI Shuyu ， YU Hongyang ， GE Jing ， et al . Analysis of capacitance and voltage fluctuation characteristics of two-port matrix converter under power/low frequency interconnection ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 4 ）： 1437 - 1444 .

李遥，许烈，李永东 . 模块化多电平矩阵变换器开关次数最优的拓扑连接策略［J］. 电工技术学报， 2018 ， 33 （ 2 ）： 342 - 352 .

LI Yao ， XU Lie ， LI Yongdong . Topology connecting strategy of the modular multilevel matrix converter for optimal switching times ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2018 ， 33 （ 2 ）： 342 - 352 .

YAO W X ， LIU J ， LU Z Y . Distributed control for the modular multilevel matrix converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3775 - 3788 .

王文杰，杨益平，杭丽君，等 . 应用于交-交变换的M3C矩阵变换器系统控制策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 12 ）： 186 - 192 .

WANG Wenjie ， YANG Yiping ， HANG Lijun ， et al . Control strategy of M3C matrix converter system applied to AC-AC transformation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 12 ）： 186 - 192 .

李峰，王广柱，刘汝峰 . 模块化多电平矩阵变换器低频控制方法［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 2 ）： 127 - 133 .

LI Feng ， WANG Guangzhu ， LIU Rufeng . A low-frequency control scheme for modular multilevel matrix converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 2 ）： 127 - 133 .

OU Z J ， WANG G Z ， ZHANG L H . Modular multilevel converter control strategy based on arm current control under unbalanced grid condition ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 5 ）： 3826 - 3836 .

MA J K ， DAHIDAH M S A ， PICKERT V ， et al . A hierarchical energy balance control method for M3C based on injecting output frequency circulating currents ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 3 ）： 2424 - 2435 .

FAN B R ， WANG K ， WHEELER P ， et al . A branch current reallocation based energy balancing strategy for the modular multilevel matrix converter operating around equal frequency ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 2 ）： 1105 - 1117 .

FAN B R ， WANG K ， WHEELER P ， et al . An optimal full frequency control strategy for the modular multilevel matrix converter based on predictive control ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 8 ）： 6608 - 6621 .

LIU S Q ， WANG X F ， MENG Y Q ， et al . A decoupled control strategy of modular multilevel matrix converter for fractional frequency transmission system ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 4 ）： 2111 - 2121 .

郭贤珊，刘斌，梅红明，等 . 渝鄂直流背靠背联网工程交直流系统谐振分析与抑制［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 20 ）： 157 - 164 .

GUO Xianshan ， LIU Bin ， MEI Hongming ， et al . Analysis and suppression of resonance between AC and DC systems in Chongqing-Hubei back-to-back HVDC project of China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 20 ）： 157 - 164 .

吴小丹，王鹏飞，曹冬明 . 星形链式STATCOM直流侧输入阻抗及交直流功率耦合关系分析［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 4 ）： 70 - 76 .

WU Xiaodan ， WANG Pengfei ， CAO Dongming . Analysis on DC-side input impedance and AC/DC power coupling relationships of star cascaded STATCOM ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 4 ）： 70 - 76 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Two-phase Operation Control Strategy on Low-frequency Side of Two-terminal Flexible Low-frequency Transmission System

Hierarchical Prediction Control Strategy of Active Power for Photovoltaic Cluster

Hierarchical Collaborative Control of Urban Microgrid Cluster Based on Consensus Algorithm

Related Author

Yu LU

Qiang ZOU

LI Zhuo

CHENG Wending

YE Lin

CHU Xiaojie

ZHAO Yongning

PEI Ming

Related Institution

NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute)

China Electric Power Research Institute

College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University

College of Information Science and Engineering, Northeastern University

College of Electrical Engineering, Zhejiang University

⁰