Submodule Capacitance Optimization Method for Alternate Arm Converter Based on Third Harmonic Injection

WANG Shunliang; LIAO Xin; ZHANG Rui; MA Junpeng; LI Jinming; LIU Tianqi

doi:10.7500/AEPS20230725003

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Submodule Capacitance Optimization Method for Alternate Arm Converter Based on Third Harmonic Injection

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

- Submodule Capacitance Optimization Method for Alternate Arm Converter Based on Third Harmonic Injection
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 12, Pages: 165-176(2024)
- 作者机构：
  
  四川大学电气工程学院，四川省成都市 610065
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Sichuan Provincial Natural Science Foundation of China(2023NSFSC0301)
- DOI：10.7500/AEPS20230725003
  CLC：
- Received：25 July 2023，
  
  Revised：2023-12-14，
  
  Published Online：20 May 2024，
  
  Published：25 June 2024
- 稿件说明：
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王顺亮,廖鑫,张芮等.基于三次谐波注入的桥臂交替换流器子模块电容优化方法[J].电力系统自动化,2024,48(12):165-176.

WANG Shunliang,LIAO Xin,ZHANG Rui,et al.Submodule Capacitance Optimization Method for Alternate Arm Converter Based on Third Harmonic Injection[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(12):165-176.
王顺亮,廖鑫,张芮等.基于三次谐波注入的桥臂交替换流器子模块电容优化方法[J].电力系统自动化,2024,48(12):165-176. DOI： 10.7500/AEPS20230725003.

WANG Shunliang,LIAO Xin,ZHANG Rui,et al.Submodule Capacitance Optimization Method for Alternate Arm Converter Based on Third Harmonic Injection[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(12):165-176. DOI： 10.7500/AEPS20230725003.

摘要

桥臂交替换流器(AAC)具有子模块数目少和电容小等优点，在交直流系统功率互联和柔性直流输电中具备广阔应用前景。针对AAC存在的固定调制度运行缺陷和工程应用子模块电容经济性问题，提出了一种基于三次谐波注入的AAC子模块电容优化方法和闭环控制策略。文中首先介绍了AAC的拓扑结构和运行原理，根据换流器能量平衡方程给出注入三次谐波后AAC的宽调制度运行条件，并设计了AAC的闭环控制策略；然后，基于子模块电压波动数学模型，建立了AAC的能量波动方程，能够精确生成不同调制度和功率因数角下的能量波动模型，定量分析了注入三次谐波后能够降低的能量波动峰值和子模块电容优化率，所提出的子模块电容优化方法和闭环控制策略在实现AAC宽调制度稳定运行的同时，注入的三次谐波不改变AAC能量平衡条件，最高能够降低AAC子模块电容大小为传统控制方式下的12.1%；最后，在电磁暂态仿真软件和StarSim半实物平台中搭建模型，验证了所提分析方法和控制策略的有效性。

Abstract

The alternate arm converter (AAC) has the advantages of a small number of submodules and low capacitance

which shows great potential for applications in AC/DC system power-interconnection and flexible DC transmission. Aiming at the operation defects of the AAC with fixed modulation degree and the economics of the submodule capacitance of AAC in engineering

this paper proposes a submodule capacitance optimization method and a closed-loop control strategy for AAC based on the third harmonic injection. The topology and operation principle of AAC are introduced in this paper. According to the energy balance equation of the converter

the extended modulation degree operation condition of AAC after the third harmonic injection is given

and a closed-loop control strategy for AAC is designed. Then

the energy fluctuation equation of AAC is established based on the mathematical model of submodule voltage fluctuation

which can obtain energy fluctuation models with different modulation degrees and power factor angles. The reduced energy fluctuation peak value and the submodule capacitance optimization rate after the third harmonic injection are quantitatively analyzed. The proposed submodule capacitance optimization method and closed-loop control strategy achieve stable operation of AAC in a wide modulation degree range

while the injected third harmonic does not change the AAC energy balance condition. The proposed method could reduce the capacitance of AAC submodule to 12.1% of the conventional method. Finally

the model is built in the electromagnetic transient simulation software and the StarSim semi-physical platform to verify the effectiveness of the proposed analysis method and the control strategy.

关键词

Keywords

references

茆美琴，程德健，袁敏，等 . 基于暂态能量流的模块化多电平高压直流电网接地优化配置［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 3 ）： 739 - 749 .

MAO Meiqin ， CHENG Dejian ， YUAN Min ， et al . Optimal allocation of grounding system in high voltage direct current grid with modular multi-level converters based on transient energy flow ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 3 ）： 739 - 749 .

李浩志，李景一，杨建军，等 . 抑制风电-柔直外送系统次同步振荡的并联VSC型次同步阻尼控制器［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 8 ）： 133 - 139 .

LI Haozhi ， LI Jingyi ， YANG Jianjun ， et al . Shunt-VSC subsynchronous damping controller to suppress SSO in wind power connected by flexible DC sending system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 133 - 139 .

高玉华，王琛，王毅，等 . 基于半波交替的轻型化MMC拓扑及控制策略［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 17 ）： 149 - 159 .

GAO Yuhua ， WANG Chen ， WANG Yi ， et al . Topology and control strategy of light-weight modular multilevel converter with half-wave alternating ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 17 ）： 149 - 159 .

RAO N P ， SHUKLA A . Analysis of capacitor voltage unbalance in hybrid MMC and its novel operation with reduced submodule capacitance ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 6 ）： 7271 - 7284 .

曾武，李睿，蔡旭 . 基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 3 ）： 177 - 186 .

ZENG Wu ， LI Rui ， CAI Xu . Multiplexing arm based modular multilevel converter with energy storage ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 3 ）： 177 - 186 .

韩啸，李睿 . 一种MMC子模块电容电压波动最小化容值优化方法［J］. 电源学报， 2021 ， 19 （ 3 ）： 40 - 51 .

HAN Xiao ， LI Rui . Capacitance optimization method for minimizing submodule capacitor voltage fluctuation of modular multilevel converter ［J］. Journal of Power Supply ， 2021 ， 19 （ 3 ）： 40 - 51 .

李再男，贾科，刘子奕，等 . 半桥型MMC直流侧故障恢复过程过流机理及抑制方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 23 ）： 180 - 188 .

LI Zainan ， JIA Ke ， LIU Ziyi ， et al . Overcurrent mechanism and suppression method for DC-side fault recovery process of half-bridge modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 23 ）： 180 - 188 .

郭猛，郝全睿，李东 . 混合型MMC的改进桥臂平均值与状态空间模型［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 19 ）： 116 - 127 .

GUO Meng ， HAO Quanrui ， LI Dong . Improved arm average and state-space models of hybrid modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 19 ）： 116 - 127 .

ZHANG R ， WANG S L ， MA J P ， et al . Capacitor voltage balancing for alternate arm converter based on conduction angle and zero-sequence voltage ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 3 ）： 3268 - 3280 .

SUN P Y ， WICKRAMASINGHE H R ， KONSTANTINOU G . Hybrid multiterminal HVDC system based on line-commutated and alternate arm converters ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 993 - 1003 .

MERLIN M M C ， GREEN T C ， MITCHESON P D ， et al . The alternate arm converter： a new hybrid multilevel converter with DC-fault blocking capability ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2014 ， 29 （ 1 ）： 310 - 317 .

FARR E M ， FELDMAN R ， CLARE J C ， et al . The alternate arm converter （AAC）—“short-overlap” mode operation—analysis and design parameter selection ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 7 ）： 5641 - 5659 .

FARR E M ， FELDMAN R ， CLARE J C ， et al . The alternate arm converter “extended-overlap” mode： AC faults ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 5 ）： 5371 - 5388 .

YANG H Y ， FAN S Y ， DONG Y F ， et al . Arm phase-shift conducting modulation for alternate arm multilevel converter with half-bridge submodules ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 5 ）： 5223 - 5235 .

范世源，杨贺雅，杨欢，等 . 具有故障穿越能力的T型桥臂交替多电平换流器及其调制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 8 ）： 41 - 50 .

FAN Shiyuan ， YANG Heya ， YANG Huan ， et al . T-type alternate arm multilevel converter with fault ride-through capability and its modulation strategy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 8 ）： 41 - 50 .

MERLIN M M C ， GREEN T C . Cell capacitor sizing in multilevel converters： cases of the modular multilevel converter and alternate arm converter ［J］. IET Power Electronics ， 2015 ， 8 （ 3 ）： 350 - 360 .

REDDY G A ， SHUKLA A . The switched modular multilevel converter： a compact VSC for high and medium voltage applications ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 5 ）： 4112 - 4125 .

周剑桥，王晗，张建文，等 . 基于波动功率传递的MMC型固态变压器子模块电容优化方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 12 ）： 3990 - 4004 .

ZHOU Jianqiao ， WANG Han ， ZHANG Jianwen ， et al . MMC-based solid state transformer’s submodule capacitance optimization method based on fluctuation power delivery ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 12 ）： 3990 - 4004 .

杨玉坤，许建中 . 面向大容量直驱风电机组的机侧MMC电容电压脉动抑制策略［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 16 ）： 6300 - 6313 .

YANG Yukun ， XU Jianzhong . Machine side MMC capacitor voltage ripple suppression strategy for high capacity direct drive wind turbines ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 16 ）： 6300 - 6313 .

YAN Q Z ， ZHANG X C ， ZHAO T R ， et al . An analytical simplified three-level SVPWM with unified zero-sequence component injection ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 3 ）： 2417 - 2420 .

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