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电动汽车驱动 多电平 ★ 5.0

利用电容电压纹波提升模块化多电平变换器的动态直流电压

Dynamic DC Voltage Enhancement for Modular Multilevel Converter Using Capacitor Voltage Ripple

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 多电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 模块化多电平换流器 有功功率容量提升 直流电压增强 循环电流降低 控制器设计
语言:

中文摘要

摘要:高功率柔性直流链路采用模块化多电平换流器(MMC),以在中高压电网中实现紧凑的有功功率重新分配。在发生紧急情况时,此类换流器可能需要提供更高的有功功率容量,以避免电网脆弱位置出现过载。本文通过利用MMC子模块(SM)的电容电压纹波裕量,将直流电压提升至额定值以上,从而实现了这一目标。这种电压提升在使MMC的有功功率容量得到增强的同时,还能使部件承受的额定电热应力保持不变。此外,动态改变直流侧电压可降低MMC的环流,提高其运行效率。由于平均电容电压被控制为保持恒定,因此增强型MMC的总体应力和谐波性能与基本情况保持一致。本文推导了电压和功率提升极限的解析表达式,揭示了其对电网注入无功功率的依赖性。此外,还设计了一种控制器,以在进行功率提升的暂态条件下实现稳定运行。最后,通过对缩小规模的实验室MMC样机进行仿真和实验,验证了该提升概念的有效性。

English Abstract

High-power flexible dc links employ modular multilevel converters (MMC) for compact active power redirection in medium and high voltage grids. During contingencies, such converters may need to provide an enhanced active power capacity to avoid overload in vulnerable grid locations. This article achieves this target by using the capacitor voltage ripple margin of the MMC submodules (SM) to enhance the dc voltage beyond the rated value. This voltage enhancement enables the enhanced active power capacity of the MMC while maintaining rated electro–thermal stresses on the components. Moreover, dynamically varying the dc side voltage reduces the MMC's circulating current, improving its operating efficiency. Because the average capacitor voltage is controlled to remain constant, the overall stresses and harmonic performance of the enhanced MMC remain the same as in the base case. In this article, the analytical expressions for the voltage and power enhancement limits are derived, revealing a dependence on the grid-injected reactive power. Furthermore, a controller is designed to achieve stable operation during transient conditions when the power enhancement is carried out. Finally, the enhancement concept is validated using simulations and experiments with a down-scaled laboratory MMC prototype.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于模块化多电平换流器(MMC)电容电压纹波的动态直流电压增强技术具有重要的战略价值。该技术通过利用子模块电容电压纹波裕量来动态提升直流电压,在不增加器件电热应力的前提下实现有功功率容量的提升,这与阳光电源在高压大功率储能系统和柔性直流输电领域的技术路线高度契合。

对于阳光电源的储能变流器(PCS)产品线,该技术可在电网应急工况下提供超额功率支撑能力,这对于参与电网调峰调频服务、提升系统价值具有直接意义。特别是在新能源大规模并网场景中,电网波动频繁,这种动态增强能力能够显著提升储能系统的电网适应性和经济效益。论文提出的通过控制平均电容电压保持恒定来维持系统应力和谐波性能的方法,为产品可靠性提供了理论保障。

从技术成熟度评估,该技术已完成仿真和实验室原型验证,但向工业级产品转化仍需解决几个关键问题:一是动态电压调节对电容寿命的长期影响需要充分评估;二是与现有电网保护系统的协调配合机制需要深入研究;三是功率增强能力与无功功率的耦合关系可能限制某些运行工况下的应用效果。

技术机遇方面,该方案通过减少环流损耗提升运行效率的特性,与阳光电源追求高效率产品的战略目标一致。建议将此技术纳入下一代高压储能PCS的预研计划,重点关注在1500V直流系统和中压直挂储能方案中的应用潜力,这将有助于巩固公司在大型储能系统市场的技术领先地位。