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储能系统技术 多电平 ★ 5.0

采用二倍频电压注入与高电容电压纹波的低电容三相串联模块化多电平变换器用于高压直流输电

Low-Capacitance Three-Phase Series-Connected Modular Multilevel Converter With Second Harmonic Voltage Injection and High Capacitor Voltage Ripples for HVDC Application

作者 Haiyu Chen · Jinjun Liu · Sixing Du · Shuyao Lv · Zhifeng Deng
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年3月
技术分类 储能系统技术
技术标签 多电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 低电容三相串联模块化多电平变换器 二次谐波电压注入 电容电压纹波 阀体积和成本 仿真与实验
语言:

中文摘要

为显著降低储能需求,本文提出一种注入二次谐波电压且电容电压纹波较大的低电容三相串联模块化多电平换流器(HR SC - MMC)。通过注入二次谐波电压降低了电容电压下限。基于这一新的下限,可以重新设计子模块电容,通过允许较大电容电压纹波运行实现电容值的大幅降低。略微降低电容电压的直流分量以保持电容电压峰值不变。本文介绍了控制和设计方法,以确保子模块电容电压在整个运行范围内都大于下限值。对比结果表明,HR SC - MMC 有效减小了换流阀体积和成本,避免了总功率损耗的大幅增加,且保持了开关安装容量和有功 - 无功调节能力不变。虽然子模块电容的均方根电流和功率损耗有所增加,但这或许是可以接受的,因为电容的纹波电流承受能力未得到充分利用,且与现有方法相比,总功率损耗的增加幅度较小。通过 800 kV、733.3 MW 的仿真和 300 V、1.6 kW 的实验,验证了理论分析的正确性和 HR SC - MMC 的可行性。

English Abstract

To significantly reduce energy storage requirements, this article proposes a low-capacitance three-phase series-connected modular multilevel converter with second harmonic voltage injection and high capacitor voltage ripples (HR SC-MMC). The lower limit of the capacitor voltage is reduced by the second harmonic voltage injection. Based on this new limit, the SM capacitance can be redesigned, achieving a considerable reduction through high capacitor voltage ripple operation. The dc value of the capacitor voltage is slightly reduced to keep the peak capacitor voltage unchanged. The control and design methods are introduced to keep the SM capacitor voltage larger than the lower limit within the full operation range. The comparison results show that the HR SC-MMC effectively reduces the valve volume and cost, avoids a significant increase in the total power loss, and keeps the switch installation capacity and P-Q capability unchanged. Although the rms current and power loss of SM capacitors are increased, this may be acceptable, as the capacitor ripple current capability is underutilized and the increase in total power loss is small compared to existing methods. The correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the HR SC-MMC are verified via 800-kV 733.3-MW simulations and 300-V 1.6-kW experiments.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项低电容三相串联模块化多电平换流器技术具有重要的战略价值。该技术通过二次谐波电压注入和高电容电压纹波运行,显著降低了储能需求,这与我们在光伏逆变器和储能系统领域追求高功率密度、低成本的技术路线高度契合。

在高压直流输电应用场景中,该技术实现了阀组体积和成本的有效降低,同时保持开关容量和功率因数调节能力不变,这对我们拓展大型光伏电站并网、海上风电送出以及储能电站接入等高压大容量应用具有直接借鉴意义。特别是在当前储能系统成本压力较大的背景下,通过优化电容设计降低无源器件成本,可直接提升产品市场竞争力。

从技术成熟度评估,论文已完成800kV/733.3MW级别仿真和实验验证,表明技术原理可行。但需注意的是,高纹波运行会增加电容器的有效电流和功率损耗,这对电容器的耐久性和热管理提出更高要求。对于阳光电源而言,需要重点关注:一是电容器选型与寿命评估,确保在高纹波工况下满足25年以上运行要求;二是控制算法的实时性和鲁棒性,特别是在电网扰动和功率波动场景下的动态响应;三是与现有模块化多电平技术平台的兼容性。

建议将该技术纳入中长期研发规划,优先在1500V光伏逆变器和大型储能PCS产品线进行技术预研,通过仿真分析评估在实际工况下的降本增效潜力,并开展关键器件如高纹波电容的选型测试,为未来产品升级储备技术能力。