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Operating Condition Simulation Test Method for Sub-modules of Modular Multilevel Converter
- Automation of Electric Power Systems Vol. 46, Issue 4, Pages: 132-142(2022)
- 作者机构：
上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市 200240
- 作者简介：
- 基金信息：National Natural Science Foundation of China(52177188)
DOI：10.7500/AEPS20210430019
CLC：Received：30 April 2021，
Revised：2021-08-30，
Published Online：28 December 2021，
Published：25 February 2022
- 稿件说明：
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李恩溢,马柯,蔡旭.模块化多电平变流器的子模块工况模拟测试方法[J].电力系统自动化,2022,46(4):132-142.
LI Enyi,MA Ke,CAI Xu.Operating Condition Simulation Test Method for Sub-modules of Modular Multilevel Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(4):132-142.
李恩溢,马柯,蔡旭.模块化多电平变流器的子模块工况模拟测试方法[J].电力系统自动化,2022,46(4):132-142. DOI： 10.7500/AEPS20210430019.
LI Enyi,MA Ke,CAI Xu.Operating Condition Simulation Test Method for Sub-modules of Modular Multilevel Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(4):132-142. DOI： 10.7500/AEPS20210430019.
摘要
在柔性直流输电系统中，变流器的稳定可靠运行对整个输电系统具有重要意义。考虑到目前模块化多电平变流器（MMC）在柔性直流输电中的应用愈加广泛，且MMC中组成元件数量众多、工况复杂，因此有必要在投运前对MMC的设计及控制进行深入验证。为了实现准确有效的功能性和可靠性测试，需要对MMC的关键部件施加与实际工况相近的运行条件。然而传统MMC测试方法成本代价较高，且测试自由度受限，相比之下，新出现的工况模拟测试方法可基于简化电路对较少的MMC子模块单元施加贴近实际工况的应力条件和控制行为，因此可以极大地提升测试效率。首先，介绍了MMC子模块工况模拟测试的概念和意义。然后，介绍了多种适用于MMC子模块工况模拟方法，分析对比了各方法在测试成本与模拟精度上的区别。最后，结合实际案例，通过仿真和实验验证了MMC子模块工况模拟方法的可行性和潜在价值。
Abstract
In the flexible DC transmission system
the stable and reliable operation of the converter is of great significance to the whole transmission system. Considering the current modular multilevel converter (MMC) is more and more widely used in the flexible DC transmission
and the number of components in MMC is large and the operating conditions are complex
it is necessary to deeply verify the design and control of MMC before commissioning. In order to achieve accurate and effective functional and reliability testing
it is necessary to impose operating conditions similar to the actual operating conditions on the key components of MMC. However
the traditional MMC test method has high cost and limited test freedom. In contrast
the new operating condition simulation test method can apply stress conditions and control behavior close to the actual operating condition to less sub-module units of MMC based on simplified circuit
so it can greatly improve the test efficiency. First
the concept and significance of operating condition simulation test for sub-modules of MMC are introduced. Then
a variety of operating condition simulation methods suitable for MMC sub-modules are introduced
and the differences between each method in test cost and simulation accuracy are analyzed and compared. Finally
the feasibility and potential value of operating condition simulation method for sub-modules of MMC are verified by simulation and experiment.
关键词
Keywords
references
ALYAMI H ， MOHAMED Y . Review and development of MMC employed in VSC-HVDC systems ［C］// 2017 IEEE 30th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering ， April 30-May 3 ， 2017 ， Windsor， Canada ： 1 - 6 .
王炳辉 ， 黄天啸 ， 吴涛 ， 等 . MMC柔性直流换流站无功级联控制策略 ［J］. 电力系统自动化 ， 2021 ， 45 （ 5 ）： 137 - 142 .
WANG Binghui ， HUANG Tianxiao ， WU Tao ， et al . Reactive cascaded control strategy of MMC flexible DC converter station ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 5 ）： 137 - 142 .
郝亮亮 ， 李伟杰 ， 王卓雅 ， 等 . MMC-HVDC电网输电线路双极短路故障电流的实用计算 ［J］. 电力系统自动化 ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 68 - 76 .
HAO Liangliang ， LI Weijie ， WANG Zhuoya ， et al . Practical calculation for bipolar short-circuit fault current of transmission line in MMC-HVDC grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 68 - 76 .
张圆圆 . 考虑风速的海上风电场集电系统可靠性评估 ［D］. 南京 ： 南京航空航天大学 ， 2019 .
ZHANG Yuanyuan . Research on reliability assessment of collection system for offshore wind farm considering wind speed ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2019 .
徐坤山 . 提高模块化多电平变换器可靠性的关键技术研究 ［D］. 南京 ： 南京航空航天大学 ， 2018 .
XU Kunshan . Research on improving the reliability of modular multilevel converters ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2018 .
周雒维 ， 吴军科 ， 杜雄 ， 等 . 功率变流器的可靠性研究现状及展望 ［J］. 电源学报 ， 2013 ， 11 （ 1 ）： 1 - 15 .
ZHOU Luowei ， WU Junke ， DU Xiong ， et al . Status and outlook of power converter’s reliability research ［J］. Journal of Power Supply ， 2013 ， 11 （ 1 ）： 1 - 15 .
管敏渊 ， 徐政 . 模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护 ［J］. 电力系统自动化 ， 2011 ， 35 （ 16 ）： 94 - 98 .
GUAN Minyuan ， XU Zheng . Redundancy protection for sub-module faults in modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2011 ， 35 （ 16 ）： 94 - 98 .
胡鹏飞 ， 江道灼 ， 周月宾 ， 等 . 模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略 ［J］. 电力系统自动化 ， 2013 ， 37 （ 15 ）： 66 - 70 .
HU Pengfei ， JIANG Daozhuo ， ZHOU Yuebin ， et al . Redundancy fault-tolerated control strategy for sub-module faults of modular multilevel converters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 15 ）： 66 - 70 .
刘巍 . 级联型固态变压器故障检测与容错技术研究 ［D］. 南京 ： 东南大学 ， 2015 .
LIU Wei . Research on fault detection and fault-tolerance technology of cascaded solid state transformer ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2015 .
MA Ke ， JIANG Shan ， LI Enyi ， et al . Three-phase mission profile emulator for multiple submodules in modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 5 ）： 5213 - 5222 .
田凯 ， 陈堃 ， 陈满 ， 等 . 基于载波移相调制的模块化多电平电池储能系统直流侧建模 ［J］. 储能科学与技术 ， 2020 ， 9 （ 6 ）： 1982 - 1990 .
TIAN Kai ， CHEN Kun ， CHEN Man ， et al . DC-side modeling of the modular multilevel battery energy storage system based on carrier phase shift modulation ［J］. Energy Storage Science and Technology ， 2020 ， 9 （ 6 ）： 1982 - 1990 .
魏承志 ， 练睿 ， 杨桦 ， 等 . 一种混合型模块化多电平换流器的改进载波移相调制方法 ［J］. 电力系统自动化 ， 2016 ， 40 （ 7 ）： 68 - 73 .
WEI Chengzhi ， LIAN Rui ， YANG Hua ， et al . An improved phase shifted carrier modulating method for hybrid modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 7 ）： 68 - 73 .
周莹坤 ， 齐磊 ， 崔翔 ， 等 . 采用载波移相调制的模块化多电平换流器损耗一致性分析 ［J］. 电力系统自动化 ， 2016 ， 40 （ 20 ）： 100 - 106 .
ZHOU Yingkun ， QI Lei ， CUI Xiang ， et al . Loss consistency analysis of modular multilevel converter using carrier phase shifted sinusoidal pulse width modulation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 20 ）： 100 - 106 .
蔡信健 ， 吴振兴 ， 孙乐 ， 等 . 直流电压不均衡的级联H桥多电平变频器载波移相PWM调制策略的设计 ［J］. 电工技术学报 ， 2016 ， 31 （ 1 ）： 119 - 127 .
CAI Xinjian ， WU Zhenxing ， SUN Le ， et al . Design for phase-shifted carrier pulse width modulation of cascaded H-bridge multi-level inverters with non-equal DC voltages ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2016 ， 31 （ 1 ）： 119 - 127 .
周路平 ， 刘桂英 ， 黄华钦 ， 等 . 基于载波层叠的MMC调制和电容电压控制研究 ［J］. 电气应用 ， 2019 ， 38 （ 4 ）： 48 - 55 .
ZHOU Luping ， LIU Guiying ， HUANG Huaqin ， et al . Research on MMC modulation and capacitor voltage control based on carrier stacking ［J］. Electrotechnical Application ， 2019 ， 38 （ 4 ）： 48 - 55 .
王昆 . 最近电平调制下模块化多电平变换器工频排序平衡方法与故障诊断技术研究 ［D］. 杭州 ： 浙江大学 ， 2020 .
WANG Kun . Research on capacitor voltage balancing and failure diagnosis methods of MMC based on fundamental frequency sorting strategy with nearest level modulation ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2020 .
易灵芝 ， 黄晓辉 ， 黄守道 ， 等 . 基于最近电平逼近调制的模块化多电平变换器中高压变频调速系统运行控制 ［J］. 电工技术学报 ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 1303 - 1315 .
YI Lingzhi ， HUANG Xiaohui ， HUANG Shoudao ， et al . A medium-voltage motor drive with modular multilevel converter based on nearest level modulation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 1303 - 1315 .
HE Bin ， MA Ke ， XIN Xinkai ， et al . Hybrid modulation method for nearest-level-control-based MMC to suppress DC power fluctuation when enabling circulating current suppression ［C］// 2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition ， October 11-15 ， 2020 ， Detroit， USA ： 6232 - 6237 .
TANG Y ， RAN L ， ALATISE O ， et al . A model assisted testing scheme for modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 1 ）： 165 - 176 .
MA Ke ， LI Enyi ， YANG Yunxiao ， et al . Control and design for mission profile emulator of individual sub-module in CPS-PWM based modular multilevel converter ［J］. Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 3 ）： 3530 - 3539 .
张夏辉 ， 韩民晓 ， 杨景刚 ， 等 . 直流侧电压波动对MMC的环流影响机理分析及抑制方法 ［J］. 电力系统自动化 ， 2021 ， 45 （ 15 ）： 122 - 131 .
ZHANG Xiahui ， HAN Minxiao ， YANG Jingang ， et al . Analysis on influence mechanism of DC-side voltage fluctuation on circulating current of modular multilevel converter and its suppression method ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 15 ）： 122 - 131 .
鲁晓军 ， 向往 ， 林卫星 ， 等 . 混合型MMC接入弱交流电网稳定性分析及控制参数优化 ［J］. 电力系统自动化 ， 2020 ， 44 （ 16 ）： 70 - 78 .
LU Xiaojun ， XIANG Wang ， LIN Weixing ， et al . Stability analysis and control parameter optimization for hybrid modular multilevel converter connected to weak AC system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 16 ）： 70 - 78 .
年珩 ， 朱茂玮 ， 徐韵扬 ， 等 . 基于谐波传递矩阵的MMC换流站频率耦合特性建模与分析 ［J］. 电力系统自动化 ， 2020 ， 44 （ 6 ）： 75 - 83 .
NIAN Heng ， ZHU Maowei ， XU Yunyang ， et al . Modeling and analysis of frequency coupling characteristic for MMC station based on harmonic transfer matrices ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 6 ）： 75 - 83 .
李振动 ， 安海清 ， 樊小伟 ， 等 . 双极MMC-HVDC系统站内接地故障特性及保护策略 ［J］. 电力系统自动化 ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 77 - 83 .
LI Zhendong ， AN Haiqing ， FAN Xiaowei ， et al . Converter grounding fault characteristics and protection strategy in bipolar MMC-HVDC system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 77 - 83 .
龙凯华 ， 李笑倩 ， 李子明 ， 等 . 考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法 ［J］. 电力系统自动化 ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 84 - 90 .
LONG Kaihua ， LI Xiaoqian ， LI Ziming ， et al . Calculation method of DC short-circuit current considering active current-limiting control of modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 84 - 90 .
YANG Xuan ， XU Yang . A novel circuit topology for the VSC-HVDC submodules testing ［C］// 2017 IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia ， June 3-7 ， 2017 ， Taiwan， China ： 1435 - 1439 .
XU T ， DAVIDSON C C . Operational tests for the MMC-based VSC valves ［C］// International Exhibition and Conference for Power Electronics， Intelligent Motion， Renewable Energy and Energy Management ， May 20-22 ， 2014 ， Nuremberg， Germany ： 1 - 8 .
TANG Y ， RAN L ， ALATISE O ， et al . Improved testing capability of the model-assisted testing scheme for a modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 11 ）： 7823 - 7836 .
JIANG Shan ， MA Ke ， CAI Xu . Self-circulating testing method for both rectifying and inverting submodules of modular multilevel converter with low DC supply voltage ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 8 ）： 7795 - 7803 .
JIANG Shan ， MA Ke ， YANG Yunxiao ， et al . Mission profile emulator for individual submodule in modular multilevel converter with nearest level control ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 9 ）： 9722 - 9730 .
WANG Z ， WANG H ， ZHANG Y ， et al . A viable mission profile emulator for power modules in modular multilevel converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 12 ）： 11580 - 11593 .
YANG W ， SONG Q ， XU S ， et al . An MMC topology based on unidirectional current H-bridge submodule with active circulating current injection ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 33 （ 5 ）： 3870 - 3883 .
郭汉臣 ， 王琛 ， 王毅 ， 等 . 适用于MMC-MVDC的无差拍最近电流逼近控制策略 ［J］. 华北电力大学学报（自然科学版） ， 2021 ， 29 （ 4 ）： 1 - 10 .
GUO Hanchen ， WANG Chen ， WANG Yi ， et al . Deadbeat nearest current modulation control strategy for MMC-MVDC system ［J］. Journal of North China Electric Power University （Natural Science Edition） ， 2021 ， 29 （ 4 ）： 1 - 10 .
江畅 ， 程启明 ， 马信乔 ， 等 . 不平衡电网电压下基于模块化多电平变流器的统一电能质量调节器的微分平坦控制 ［J］. 电工技术学报 ， 2021 ， 36 （ 16 ）： 3410 - 3421 .
JIANG Chang ， CHENG Qiming ， MA Xinqiao ， et al . Differential flat control for unified power quality controller based on modular multilevel converter under unbalanced grid voltage ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 16 ）： 3410 - 3421 .
孟沛彧 ， 王志冰 ， 迟永宁 ， 等 . 适应多能源基地远距离输送电能的混合四端直流输电系统控制策略研究 ［J］. 电工技术学报 ， 2020 ， 35 （ 增刊2 ）： 523 - 534 .
MENG Peiyu ， WANG Zhibing ， CHI Yongning ， et al . Control strategy of hybrid four-terminal HVDC transmission system dedicated for long-distance power delivery from multiple energy bases ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ Supplement 2 ）： 523 - 534 .
王燕宁 ， 郭春义 ， 郑安然 ， 等 . 极弱受端交流系统下LCC-MMC型混合直流输电系统的附加频率-电压阻尼控制 ［J］. 电工技术学报 ， 2020 ， 35 （ 7 ）： 1509 - 1520 .
WANG Yanning ， GUO Chunyi ， ZHENG Anran ， et al . Supplementary frequency-voltage damping control for LCC-MMC hybrid HVDC system connected to extremely weak receiving AC grid ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 7 ）： 1509 - 1520 .
WANG W ， MA Ke ， CAI Xu . Efficient capacitor voltage balancing method for modular multilevel converter under carrier-phase-shift pulse width modulation ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1626 - 1645 .
郭高朋 ， 胡学浩 ， 温家良 . 混合型多电平变流器桥臂电容电压平衡的原理与控制 ［J］. 电力系统自动化 ， 2015 ， 39 （ 6 ）： 75 - 81 .
GUO Gaopeng ， HU Xuehao ， WEN Jialiang . Principle and control of voltage balance of convertor arm capacitor in hybrid multilevel convertor ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 6 ）： 75 - 81 .
林强 ， 厉伟 ， 徐建源 ， 等 . MMC子模块电压均衡及环流抑制方法研究 ［J］. 电工电气 ， 2021 （ 1 ）： 5 - 10 .
LIN Qiang ， LI Wei ， XU Jianyuan ， et al . Research on sub-module voltage balance and circulating current suppressing method of MMC ［J］. Electrotechnics Electric ， 2021 （ 1 ）： 5 - 10 .
慕昆 ， 李运娣 ， 何国锋 . 基于载波移相的MMC电容电压均压控制 ［J］. 可再生能源 ， 2020 ， 38 （ 10 ）： 1389 - 1393 .
MU Kun ， LI Yundi ， HE Guofeng . Balancing control of capacitance voltage for modular multilevel converter based on carrier phase shifted technique ［J］. Renewable Energy Resources ， 2020 ， 38 （ 10 ）： 1389 - 1393 .
TANG Weiyu ， MA Ke ， SONG Yubo . Critical damping ratio to ensure design efficiency and stability of LCL-filters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 315 - 325 .
MA Ke ， TANG Weiyu ， CHENG Ran ， et al . Modelling of interconnected voltage and current controlled converters with coupled LC-LCL filters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 4 ）： 3995 - 4005 .
MA Ke ， LIN Jiayang ， ZHU Ye . Statistical characterization for loss distributions of power semiconductor devices ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 7 ）： 7384 - 7388 .
XU Mengqi ， MA Ke ， LIU Bo ， et al . Modelling and correlation of two thermal paths in frequency-domain thermal impedance model of power module ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 4 ）： 3971 - 3981 .
MA Ke ， XU Mengqi ， LIU Bo . Modelling and characterization of frequency-domain thermal impedance for IGBT module through heat flow information ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1330 - 1340 .
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