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多电平技术的当前研究热点和未来发展方向

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请大家一起探讨一下这个问题,希望回答的内容稍微多一点点,让我能多学一点点。

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李宁·170.00

2016-12-01 09:29:48提问

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可以谈一下多电平技术在电力系统中的应用:

目前多电平在电力系统中的应用主要有三种形式,一种是采用IGBT串联作为换流阀的两电平、三电平换流器,其特点是结构简单,控制简便,缺点是开关频率高,损耗大。另外,IGBT串联只能采用短路失效模式的压接式IGBT,成本较高,目前只有ABB一家在做;第二种是MMC形式,即模块化多电平形式,目前国内的所有柔直输电工程全部采用这种形式,其特点是开关频率低,电压电流波形好,换流器件为市场上常见的焊接型IGBT。但缺点是控制比较复杂,尤其是随着电压等级的提高,模块化的数量会变得非常庞大,只能采用分层控制的方式,对控制算法要求很高;第三种是ABB近几年提出并在德国都灵海上风电并网中进行应用的CTL,也称为级联两电平形式。也就是将IGBT串联组成一个整体的换流器件,再采用MMC的形式将其组合到一起,这样结合了IGBT串联和MMC两大技术的优势,大大降低了高电压等级MMC的控制难度和器件数量,但同时也存在冗余不好配置的问题。

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  雪魂·30.00

2016-12-15 20:26:48回答

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随着直流电网的发展和成熟,以及大家对直流电网的新的认识,还有电动汽车的崛起及电动汽车充电技术的需求,未来的电网必定是交直流混合的而且是区域互联的电网,这样的电网中各类变换器需要发挥作用,尤其是对于电动汽车充电技术来说,多电平技术可以应用于电动汽车快速充电,大功率的快速充电技术,还有交直流电网中各变换器的协调控制,直流部分的协调控制,交流部分的协调控制,交直流部分的协调控制等等。比较好的研究方向个人认为包括:大功率电动汽车快速充电、多电平器件的研制、通过控制策略提高输出电能质量、单元格变换器的协调控制等等

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  电力之光工作室·120.00

2016-12-10 22:59:48回答

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多电平变换器是当前高电压大功率电能变换领域中的研究热点之一,在高压变流调速和电力系统、无功补偿及有源滤波的大功率应用中一直受到极大的重视,这种技术的研究和应用将推动高功率变换技术的发展。在两电平变换器的高压大容量应用中,我们通常会采用交-直-交变频方式,而在少数的低速场合也采用交-交变频方式。在高压大容量整机应用中,由于现有的开关管的受压范围有限,传统的两电平PWM逆变器依靠单个的开关管显然承受不了直流侧的高压。除了高压缺陷以外,在大电机调速中,传统两电平逆变器还存在以下问题:1)高频产生很高的dv/dt和浪涌电压,引起电机绕组绝缘击穿;2)高频开关产生很大的器件电压应力和开关损耗,使效率降低;3)高频开关动作对附近的通讯或其它电子设备产生宽频带的EMI;4)功率因数低。为避免以上缺点,我们需要一种既不用升降压变压器,又无均压电路,且器件承受电压应力较低的直接高压变换器。1980年,日本长冈科技大学的南波江章A.Nabae等人在IEEE工业应用IAS年会上提出中点钳位(NPC)逆变器,从而最早提出多电平的概念未来研究热点可能有(自己观点哈)


1.多电平变换器的基本拓扑结构(现有拓扑还有诸多缺点,诸如功耗,控制,结构等等)



2.多电平变换器的调制方式(需开发更加高效的调制方式,降低其功耗)



3.电容电压不平衡问题(这个就不必多说了,现在研究热点)



4.窄脉冲问题(不太清楚)



5.它能在不增加器件开关频率的条件下,由于输出电压电平数的增加,使得输出波形具有更好的谐波频谱,每个开关器件所承受的电压应力较小,开关损耗小,可避免由大的dv / dt 所导致各种问题,增大系统的容量和耐压。

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  徐佳·540.00

2016-12-10 19:05:02回答

这个回答我认为是教科书式的回答,老版的教科书上基本上都是这么写的,其实现在很多问题已经研究的比较多了,应该转一转新的方向了。  李宁 2016-12-12 17:29:41

电容电压不平衡问题现在还没有很好地解决嘛?  李宁 2017-02-07 15:57:57

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通过分析最近提出的各种新颖多电平逆变器拓扑可以得出以下几点结论:

1)    新出现的多电平逆变器拓扑大都是增加辅助/嵌位电路,或者用混合开关,或者用不对称结构,或者以基本构成单元串并联优化逆变器拓扑。

2)    减少直流母线电容的个数不能提高逆变器输出的电平数目。

3)    多电平逆变器拓扑向集成化、模块化、小型化、多样化和多功能化发展。

4)    目前的研究热点之一是,通过适当的调整控制策略和系统结构,提高并网发电系统和并网逆变器的效率。

5)    工业界和各国学者偏向于研究非隔离型并网逆变器拓扑,而且大多数单相非隔离型并网逆变器拓扑结构都属于全桥类拓扑。

6)    单极性调制并网逆变器电感电流纹波是双极性调制的0.5倍,滤波电感和开关损耗小,效率高。因此,各国科研人员大量研究以低漏电流为目标的改进的单极性全桥拓扑,其思想都是构建新的续流回路,使共模电压值为恒值。

8)    满足并网标准的并网逆变器拓扑优化技术目前没有突破性进展。

9)    对于逆变器拓扑优化,至今没有一种广义通用性的方法,目前的研究大多是实验尝试方法上的简单的改进。

10) 在多电平并网逆变器方面,研究人员一直在不断地改进逆变器拓扑结构,其遵循的规律是:在不影响其性能指标的情况下,使用的器件数越少越好;或者,在某个经济指标或某个技术为最优或近似为最优的情况下,获得最优的拓扑结构。然而至今对于优化逆变器拓扑结构仍未有一种理论性的系统方法 。

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  Lily·0.00

2016-12-04 11:01:55回答

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除了上面说的内容以外,我认为至少还有3个重要方向需要研究,即:可靠性分析评估及改善方法、系统冗余运行机制与实现方法、故障分析诊断与状态监测(或者叫做设备寿命管理、健康管理)。我认为这3个方向非常重要,但却几乎没有开始这方面的基础理论方法研究开始搞。此外,混合多电平也有意思,值得研究,因为混合多电平既能减少模块数量,而且在模块灵活性上更好了(现在的多电平要求每个模块一致,但混合多电平可以不一致)。

 

特别强调一下可靠性问题。多电平的优点无需强调了,但多电平变流器本身包含的元器件、功率模块以及控制电路实在是太多了,所以我认为多电平变流器系统的可靠性肯定比少电平变流器差远了。但偏偏多电平变流器的功率大、电压高,出问题之后的影响也非常大,也就是说对多电平变流器系统可靠性要求更高了。尤其是输电系统用的多电平变流器,尤其是我国现在这种“大干快上”的氛围,导致很多基础理论问题都没有搞清楚,就使劲地搞工程建设。尤其是MMC,我国大概也就是10年左右开始往电网里面整,结果五六年的时间不到,MMC已经在我国电网到处开花了,MMC的高压柔性直流输电、海上风电送出、高压直流断路器、UPFC,电压从10KV开始,35KV,60KV,150KV,160KV,200KV,320KV,500KV,据说现在都在规划建设800KV的柔直了,也就是说MMC-HVDC可能10年不到的时间就要走完LCC-HVDC五六十年发展的路程。当然工程建设确实带动了基础理论研究的进步,但工程建设严重超前学术研究,感觉可能是个“定时炸弹”。目前来看,各方面都非常非常棒,但愿我是杞人忧天。

 

但不管怎么说,理论上的研究工作还是不能没有,尤其是高压、大容量、多电平电力电子变换器接入电力系统可靠性问题需要引起足够的重视,必须开展电网级应用的逆变器集群系统中的装置与系统可靠性理论和评估方法研究。

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  123·320.00

2016-12-03 17:04:53回答

可靠性分析评估及改善方法、系统冗余运行机制与实现方法、故障分析诊断与状态监测,这些我认为也是有价值的方向,但目前似乎没有看到任何相关的研究,是不是理念太超前了?还是压根儿就没有这方面的研究价值?  李宁 2017-02-07 15:59:49

研究价值肯定有,我觉得主要原因是:多电平技术发展很快,但目前主要处于功能建构阶段,暂时还来不及关注可靠性,功能都没有很好地实现,怎么关注其它性能呢?但我感觉现在是时候开展这方面的研究了,从开创一个研究方向的角度来看,是时候了。当然,因为是全新的方向,甚至连基础理论方法都很欠缺,难度当然非常大,很有可能总是出不了文章啊,因此慎重选择啊  123 2017-02-07 16:08:31

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多电平技术自2005年来发展迅速,已经从最初的级联型拓扑,二极管箝位型拓扑,飞跨电容型向更多的方向发展

模块堆叠型的拓扑拓展及控制一度成为相对的热门。

然而2009年以来,随着MMC技术的示范工程相继完工,以MMC为代表的模块化多电平技术得到了迅猛的发展,成为电力电子及电力系统领域的研究热点之一。

具体研究从控制、拓扑、建模、仿真,到工程样机的测试等无不迅猛发展,研究单位从最初的十数家,更是到了现在近乎百家齐放,吸引了足够的眼球。

当然,传统多电平技术在中压大功率场合仍然具有独到的优势,一时难以完全替代。

而随着宽禁带半导体器件技术的日臻成熟,多电平研究正迎来一个爆发式的研究新时代!

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  XiaofengYang·30.00

2016-12-02 21:17:03回答

除了上面说的内容以外,我认为至少还有3个重要方向需要研究,即:可靠性分析评估及改善方法系统冗余运行机制与实现方法故障分析诊断与状态监测(或者叫做设备寿命管理、健康管理)。我认为这3个方向非常重要,但却几乎没有开始这方面的基础理论方法研究开始搞。此外,混合多电平也有意思,值得研究,因为混合多电平既能减少模块数量,而且在模块灵活性上更好了(现在的多电平要求每个模块一致,但混合多电平可以不一致)。

 

特别强调一下可靠性问题。多电平的优点无需强调了,但多电平变流器本身包含的元器件、功率模块以及控制电路实在是太多了,所以我认为多电平变流器系统的可靠性肯定比少电平变流器差远了。但偏偏多电平变流器的功率大、电压高,出问题之后的影响也非常大,也就是说对多电平变流器系统可靠性要求更高了。尤其是输电系统用的多电平变流器,尤其是我国现在这种“大干快上”的氛围,导致很多基础理论问题都没有搞清楚,就使劲地搞工程建设。尤其是MMC,我国大概也就是10年左右开始往电网里面整,结果五六年的时间不到,MMC已经在我国电网到处开花了,MMC的高压柔性直流输电、海上风电送出、高压直流断路器、UPFC,电压从10KV开始,35KV,60KV,150KV,160KV,200KV,320KV,500KV,据说现在都在规划建设800KV的柔直了,也就是说MMC-HVDC可能10年不到的时间就要走完LCC-HVDC五六十年发展的路程。当然工程建设确实带动了基础理论研究的进步,但工程建设严重超前学术研究,感觉可能是个“定时炸弹”。目前来看,各方面都非常非常棒,但愿我是杞人忧天。

 

但不管怎么说,理论上的研究工作还是不能没有,尤其是高压、大容量、多电平电力电子变换器接入电力系统可靠性问题需要引起足够的重视,必须开展电网级应用的逆变器集群系统中的装置与系统可靠性理论和评估方法研究。

  123 2016-12-03 17:02:06

确实如此。当然无论从拓扑、算法、装置实现的可靠性等,都是值得研究的,也有很多点值得做。  XiaofengYang 2016-12-03 21:33:52

杨老师您好,其实这些我也认为是有价值的研究点,但目前似乎没有看到任何相关的研究,是不是这些理念太超前了?还是压根儿就没有这方面的研究价值呢?  李宁 2017-02-07 16:01:17

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随着电网输电容量越来越大,电压越来越高,需要多电平拓扑串联的器件数越来越多,对串并联拓扑需求也越来越高,器件越多,开关过程的损耗就越大,所以如何利用有效的调制策略最大程度地降低开关频率又不破坏电能质量,应该还是一个蛮有东西可挖的话题。

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  敏敏·0.00

2016-12-01 10:03:03回答

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