模块化多电平换流器桥臂电流分析及其环流抑制方法

为了抑制模块化多电平换流器(MMC)内部环流,对MMC桥臂电压的波动和环流产生的机理进行了分析,提出了一种抑制环流的补偿控制方法。MMC在进行功率交换时,由于桥臂电流的作用,导致子模块电容电压发生周期性的变化,采用平均值的方法分析得出子模块电容电压包含直流分量和交流分量。采用最近电平调制法进行换流器电压调制,由于子模块电容电压含有直流分量以及基频分量偏差,导致桥臂电压与期望值间存在基频偏差和二倍频等分量,从而产生环流。通过对桥臂电压与期望值的偏差量进行补偿,能够消除桥臂电压的偏差,从而抑制换流器桥臂间的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了11电平MMC双端直流输电系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于3N桥臂的MMC-STATCOM控制方法研究

围绕目前电力系统的无功需求逐渐增大的问题,提出一种基于3N桥臂MMC的STATCOM改进拓扑。该拓扑能够替代传统多STATCOM并联运行模式,降低多MMC之间的协调控制复杂度,有效避免参数谐振、功率振荡和多机并联环流问题,减少系统损耗和成本。通过数学建模分析了3N桥臂MMC的环流特性,针对环流中占有较大比例的二倍频分量设计了一种在d-q负序旋转坐标系下的抑制方法;采用电流直接控制,给出了系统在无功补偿工况下的整体控制方法;通过仿真验证了文中所提拓扑和控制方法的有效性和可行性。     

一种适用于模块化多电平换流器的新型环流控制器

模块化多电平换流器(MMC)桥臂环流中的谐波直接影响MMC的工作特性和损耗。文中推导了MMC交流侧电流、桥臂电流和环流之间的内在联系,指出MMC在交流电网对称和不对称情况下桥臂环流中都含有二倍频谐波。为了对MMC谐波环流进行有效抑制,提出了一种基于比例-积分-谐振(PIR)控制的MMC新型环流控制器,无需二倍频负序坐标变换和相间解耦。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了包含该PIR环流控制器的双站MMC仿真模型,并与旋转坐标系下的环流控制器在交流电网对称和不对称情况下进行了对比仿真分析,仿真结果验证了所提出的PIR环流控制器的有效性。     

基于桥臂能量预测的模块化多电平换流器子模块故障优化容错控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(MMC)常见的一种故障类型,将故障子模块旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为使MMC系统在子模块旁路后依然能维持稳定运行,提出一种基于桥臂能量预测的MMC子模块故障容错控制策略。首先对各时刻桥臂子模块储存的能量进行动态预测,进而求得各时刻子模块电容电压的预测值,在不用附加环流抑制控制器情况下,实现对环流中不对称基频和二倍频谐波分量的有效抑制。该策略简化了系统控制的复杂度,既适用于桥臂子模块数不对称的运行状态也适用于正常运行状态。厦门柔性直流示范工程的电磁暂态仿真结果验证了所提出的容错优化控制策略的正确性。     

模块化多电平换流器内部环流频谱特性分析

模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输电系统的核心技术.然而MMC三相桥臂间的内部环流会使本来正弦的桥臂电流发生畸变,从而导致MMC系统成本增加,损耗增大.为了分析三相桥臂环流的产生机理,建立了 MMC电路的数学模型,从瞬时能量动态特性角度考虑给出了桥臂环流的计算方法,证明了内部环流的存在性,指出了其主要由直流分量与二倍频负序分量组成.从解析表达式入手探讨了内部环流二倍频分量的影响因素,搭建了 MMC双端测试系统,分析了换流阀功率因数、电压调制比、桥臂电抗对MMC内部环流频谱特性的影响.基于理论分析研制了换流阀组件样机,搭建了基于H桥的运行试验系统,进行了试验验证,证明了样机对内部环流的耐受能力满足要求.     

MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称模型预测控制EI北大核心CSCD

针对模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统桥臂阻抗不对称运行环流问题,推导了上、下桥臂阻抗不对称运行时子模块输出电压与桥臂电流特性,阐述了此时桥臂电流基频成分,指出了换流器环流成分含有直流分量、基频分量、二倍频分量以及三倍频分量,直流侧电流会产生波动;提出一种MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称环流抑制策略,该策略将比例-积分控制与有限控制集模型预测控制相结合,计算换流器所有开关状态下综合目标函数,根据环流抑制目标函数最小值和环流抑制补偿电平调节综合目标函数最小值对应的开关状态。该控制策略能够很好地抑制环流交流成分,减小了直流侧电流波动,使得桥臂阻抗不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和基频分量、二倍频分量以及三倍频分量对称分布。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称模型预测控制

针对模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统桥臂阻抗不对称运行环流问题,推导了上、下桥臂阻抗不对称运行时子模块输出电压与桥臂电流特性,阐述了此时桥臂电流基频成分,指出了换流器环流成分含有直流分量、基频分量、二倍频分量以及三倍频分量,直流侧电流会产生波动;提出一种MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称环流抑制策略,该策略将比例-积分控制与有限控制集模型预测控制相结合,计算换流器所有开关状态下综合目标函数,根据环流抑制目标函数最小值和环流抑制补偿电平调节综合目标函数最小值对应的开关状态。该控制策略能够很好地抑制环流交流成分,减小了直流侧电流波动,使得桥臂阻抗不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和基频分量、二倍频分量以及三倍频分量对称分布。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

考虑低频振荡的MMC有源阻尼环流抑制方法

以直接调制方式的开关函数为出发点,建立MMC每相桥臂电容电压之和与桥臂环流的暂态数学模型,揭示了系统在异常工况下会产生低频振荡环流,推导低频振荡环流的频率,指出无环流控制时,二倍频环流存在谐振点。为实现对低频振荡与二倍频环流的同时抑制,提出一种基于有源阻尼控制的环流抑制方法,简单实用,无需相间解耦与坐标变换。仿真与实验结果表明该方法能同时抑制对暂态时的低频振荡与稳态时的二倍频及以上频次环流,可增强系统稳定性。     

MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制

当模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统子模块发生故障时,上、下桥臂处于不对称运行状态,此时会导致上、下桥臂子模块输出电压之和不均衡,造成换流器内部环流不仅含有二倍频负序分量,还增加了基频分量,导致直流侧电流波动。基于MMC桥臂子模块不对称运行时平均开关函数,阐述了上下桥臂子模块数目不对称运行时子模块数量不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和,以及桥臂电流基频分量与桥臂正常运行子模块数量、环流直流分量和二倍频分量之间的关系。提出一种MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制策略,在实现交流电流跟踪、子模块电容电压均衡的同时,可以实现故障时对环流基频和二倍频成分的抑制,使正常运行子模块电压维持在给定值附近,维持直流侧电流稳定。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

MMC低桥臂电流峰值控制方法研究EI北大核心CSCD

在模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的传统环流控制策略中,通常将环流抑制为零以降低系统损耗,但合理注入环流能够给系统带来额外的收益。该文探索利用二倍频和四倍频环流注入来减小MMC桥臂电流峰值的方法,并提出两种环流注入策略:其一能够从最大程度上降低桥臂电流的峰值,但会增大子模块电容的容值;另一种策略则兼顾了桥臂电流峰值的降低与电容电压纹波的增加幅度。设计解耦的环流控制策略来提高环流注入的精确性,并从电流应力、功率处理能力及换流站损耗等方面对两种环流注入策略进行分析和比较,给出不同场景下的推荐方案。针对所提策略的仿真与硬件在环实验结果表明,所提策略可将运行在较高功率因数下的MMC桥臂电流峰值减小25%左右,利于其短时间过载运行。     

电网不对称故障下混合型MMC不间断运行技术

为提高混合型MMC的不间断运行能力,提出了一种混合型MMC在电网不对称故障下的控制策略。该控制器在交、直流解耦控制的架构上,引入dq坐标系下的正负序分离锁相环、准谐振控制环节、低压限流环节和零序环流抑制环节,实现了负序电流抑制,限制了桥臂的过电流,消除了零序二倍频环流。首先介绍了电网不对称下换流器的模型,基于功率和桥臂电流的表达式,分析了换流器受到的影响。然后针对不对称故障,设计了负序电流抑制策略、有功功率控制策略和桥臂环流抑制策略,以保证混合型MMC的安全稳定运行。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了双端MMC-HVDC模型,验证了所设计策略在电网不对称故障下的有效性,实现了混合型MMC的不间断运行。     

基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器桥臂电容电压平衡控制策略

建立了基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑的统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的详细数学模型,讨论了串联式接入系统和并联式接入系统对MMC内部特性的影响,结果显示串联式接入更易出现上下桥臂电容电压不平衡现象;探讨了低频环流的本质,揭示了单相系统功率与环流的关系,得到通过控制桥臂电容电压可抑制低频环流的结论。以理想工况下桥臂电容电压为控制目标,设计了基于基频和负序二倍频旋转坐标系的电压平衡控制器,该控制器可同时适用于并联侧和串联侧。RTDS仿真结果证明在最近电平逼近调制下所提控制策略可有效控制桥臂电压平衡,并能抑制负序二倍频环流。     

基于能量分析的MMC-STATCOM电容电压三级平衡控制

为实现模块化多电平变流器(MMC)作为电网静止同步补偿器(STATCOM)进行无功补偿的目的,同时满足各模块电容电压平衡的要求,可以采用三级能量平衡控制策略。首先对MMC中相与相之间、上桥臂与下桥臂之间、子模块与子模块之间能量变换和转移机理及特性进行了深入分析。详细探讨了影响MMC能量平衡的决定因素;又采用了基于准PR控制器的二倍频环流抑制策略抑制环流;在此基础上,借鉴了三级能量平衡控制策略,实现了电容电压的平衡控制。仿真结果表明:通过对MMC内部能量平衡控制,能够减缓系统遭受相间负载不平衡大扰动后的电容电压波动,从而避免由于三相不平衡所引起的STATCOM脱网运行事故。采用所提的电容电压平衡控制策略可以有效提高MMC-STATCOM的安全稳定运行能力。     

基于滞环区间自适应控制的 MMC 环流抑制方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是一种可替代传统电压源型换流设备的新型拓扑换流装备,但随着应用电压等级的提升,MMC子模块级联数目大幅增长,相单元中二倍频环流问题尤为明显。通过阐述桥臂内环流与电感压降相互影响机制,在滞环控制的基础上引入区间自适应控制,有效平衡环流抑制效益与开关损耗两者的矛盾,提出滞环区间自适应控制MMC环流的动态抑制法。该方法能够灵活控制桥臂电感压降,控制环流在越限前改变流向,从而将其控制在允许范围内,且无需额外的硬件装置。最后在多电平双端背靠背互联系统Simulink仿真模型中验证该方法对MMC桥臂内环流的抑制效果。     

模块化多电平换流器环流抑制控制器设计

为抑制模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)内部的三相环流,在MMC内部数学模型的基础上,采用二倍频负序旋转坐标变换将换流器内部的三相环流分解为2个直流分量,并设计了相应的环流抑制控制器(circulating current suppressing controller,CCSC),从而消除了桥臂电流中的环流分量,大大减小了桥臂电流的畸变程度,使其更逼近正弦波.最后通过PSCAD/EMTDC搭建了包含该附加控制器的MMC仿真模型,结果证明所提出的控制方法可以在不用增大桥臂电抗值的情况下,有效地抑制换流器的内部环流,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生负面影响.     

模块化多电平换流器的环流抑制方法研究

模块化多电平换流器(MMC)在中高压直流输电中得到了广泛的研究和应用。其内部环流的存在是MMC的一种重要现象。在MMC的拓扑结构及其内部环流产生机理的基础上,利用二倍频负序旋转坐标变换,把换流器内部的三相环流分解为两个直流分量,并提出了相应的环流抑制方法。仿真结果证明,利用坐标变换提出的环流抑制控制器可以有效地消除桥臂电流中的环流分量,减小桥臂电流的畸变程度,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生负面影响。     

基于MMC模块化多电平STATCOM的环流抑制均压控制策略研究

笔者对模块化多电平换流器(MMC)的运行特点进行分析研究,推导了基于MMC的静止无功补偿器(STATCOM)的数学模型。研究表明通过控制MMC桥臂的相内电流icirj可以实现对每个桥臂内电容总能量的控制,使MMC桥臂电容电压平衡。基于此理论,文中提出了一种带相内电流抑制控制器的均压控制方法,调制策略采用改进的载波移相调制策略(carrier phase shifted SPWM,CPS-SPWM),并在此基础上设计了基于MMC模块化多电平STATCOM的整体控制方案。仿真结果表明了文中理论分析的正确性和控制策略的有效性。     

电网电压不对称时MMC-HVDC精确环流抑制控制

基于模块化多电平换流器(MMC)柔性直流输电被认为是最具竞争力的高压直流输电方式。基于PR控制器的MMC环流抑制策略已经得到广泛应用并能有效降低桥臂各环流分量,但在电网电压不对称时,桥臂环流中零序电流分量将进入直流侧引起直流电压/电流2倍频波动,现有控制策略不能很好地对其进行抑制。并且现有环流控制模型不能完全揭示MMC内部固有特性,这也阻碍了对MMC的进一步的理解和应用。针对以上两个问题,提出精确的环流控制模型,指出MMC内部环流电气量之间的相互关系。在此基础上,设计了新的环流抑制策略,在Matlab中搭建了±100 k V/300 MW MMC-HVDC仿真模型。仿真结果表明所提控制策略能同时降低桥臂环流和直流电压纹波,提高了MMC-HVDC故障穿越能力。     

MMC桥臂不对称运行特性分析及子模块故障下的控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的一种常见故障类型,故障子模块被旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为确保MMC在该状态下的稳定运行,对MMC桥臂不对称运行特性进行了详细的理论分析,提出了一套完整的子模块故障下的控制策略,包括基于电容比较的故障子模块定位方法及基于准比例谐振控制器的基频环流抑制方法;并在PSCAD/EMTDC软件环境下搭建了21电平MMC-HVDC仿真系统,对理论分析及子模块故障下的控制策略进行了仿真验证。结果表明:在不对称运行状态下,交流相电流基频分量在上下桥臂中不再平均分配,并且环流中将出现不对称的基频分量及三倍频分量,原有二倍频分量也略有增加;在提出的故障控制策略下,子模块定位方法能在一个周期内同时定位到多个故障子模块,同时基频环流抑制方法能对不对称运行状态下环流的附加分量进行有效抑制。仿真结果与理论分析的结果相符,验证了理论分析的正确性及所提出的故障控制策略的有效性。     

基于虚拟阻抗滑模控制的MMC环流抑制策略

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的环流,增加了器件的额定容量和系统损耗,进而增大了系统成本。该文在对比各类环流抑制方法基础上,对MMC环流抑制机理进行归纳分析,为增强对环流二倍频的抑制效果,满足系统快速性、抗干扰性要求,提出一种基于虚拟阻抗滑模控制(virtual impedance sliding mode control,VI-SMC)的MMC环流抑制策略。通过建模分析和解耦控制,结合普通环流抑制策略和通用环流抑制策略,进行不同环流抑制模型下的对比研究。结果表明,VI-SMC环流抑制策略能显著降低环流二倍频分量,提高系统鲁棒性,有利于系统稳定、可靠、快速响应运行。