基于SSPFM电容均压的MMC-HVDC系统模型预测控制策略EI北大核心CSCD

针对模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)系统采用双闭环PI控制参数存在整定难和动态响应慢的问题,提出了一种应用于MMC-HVDC的模型预测控制方法。但模块电容均压排序在具有大规模桥臂模块数的模型预测控制(MPC)策略中存在局限性,提出了希尔排序优化质因子算法(SSPFM)电容均压分组排序方法,通过SSPFM-MPC控制策略,使MMC-HVDC系统具有良好的动态功率响应性能,实现了子模块电容电压均衡与环流抑制之间的良好协调。在PSCAD/EMTDC中搭建了两端401电平MMC-HVDC仿真模型,通过SSPFM-MPC将电压排序的MPC模型的401种组合状态减少到了36种,且系统动态响应良好,验证了所提方法的正确性。     

基于SSPFM电容均压的MMC-HVDC系统模型预测控制策略

针对模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)系统采用双闭环PI控制参数存在整定难和动态响应慢的问题,提出了一种应用于MMC-HVDC的模型预测控制方法。但模块电容均压排序在具有大规模桥臂模块数的模型预测控制(MPC)策略中存在局限性,提出了希尔排序优化质因子算法(SSPFM)电容均压分组排序方法,通过SSPFM-MPC控制策略,使MMC-HVDC系统具有良好的动态功率响应性能,实现了子模块电容电压均衡与环流抑制之间的良好协调。在PSCAD/EMTDC中搭建了两端401电平MMC-HVDC仿真模型,通过SSPFM-MPC将电压排序的MPC模型的401种组合状态减少到了36种,且系统动态响应良好,验证了所提方法的正确性。     

基于MPC的MMC-HVDC子模块均压控制策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有效率高、谐波小、模块化设计和易级联等优点,在高压大容量电能变换领域得到了广泛应用。为提高基于模块化多电平换流器的直流输电系统(MMC-HVDC)运行的动态响应速度,提出了一种基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)与改进的子模块均压控制策略相结合的方法,通过预测模型、反馈校正和滚动优化得到最优的电压控制量,克服了传统的内环电流控制器与外环控制器中PI参数整定困难和动态响应慢的问题。最后,在PSCAD-EMTDC软件平台搭建了21电平的MMC-HVDC系统仿真模型。仿真结果验证了控制策略的有效性和可行性。     

MMC-HVDC电容协同预充电控制策略

为预测基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(MMC-HVDC)电容预充电的准确时间并实现子模块电容的额定充电,考虑冗余子模块在内,提出了一种启动预充电和停机过程都适用的协同调制策略。首先,建立了模块化多电平启动预充电不可控阶段的动态数学模型,并据此修正了不可控阶段直流电压的表达式以及启动限流电阻选取的表达式。其次,分析了换流器解锁瞬间存在冲击电流的原因,调整了限流电阻的切除时间,从而较好地抑制了解锁时刻的冲击电流。再次,针对换流器子模块级联的特点,提出了一种模块协同直流电压的调制策略,该策略解决了换流站直流电压和子模块电容电压的匹配问题。最后,在MATLAB/Simulink中搭建了MMC-HVDC预充电仿真模型,对所提调制算法进行了仿真验证,结果表明,随着直流电压从Up开始升至Udc0期间逐渐将每相投入子模块数目从T(每桥臂子模块数目)下降至N(额定投入运行数),可以将子模块电容电压充电至额定值。     

MMC-HVDC的二阶线性自抗扰控制策略

基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)技术已得到广泛运用,但传统基于dq同步旋转坐标系的双闭环PI控制中电流内环需要依赖系统数学模型进行前馈解耦补偿,并且一阶非线性自抗扰控制器设计参数过多、整定困难。针对上述问题,提出了MMC-HVDC的二阶线性自抗扰控制策略。设计了MMCHVDC的双闭环二阶线性自抗扰控制器,实现了有功和无功功率的完全解耦控制,所设计控制器还具有响应速度快、抗扰能力强以及不依赖被控对象数学模型等优点;为了降低桥臂子模块的开关次数,改进了子模块电容电压平衡控制算法;在PSCAD/EMTDC中搭建了21电平MMC-HVDC的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了所设计控制器具有良好的控制性能和电容电压平衡控制算法的有效性。     

并联全桥子模块MMC的自均压运行特性研究

模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)面临半桥子模块拓扑不能清除直流故障电流和子模块电容电压排序计算量过大、对传感器实时性要求高等问题。有文献针对低压领域MMC应用中存在的负荷电流过大、电容电压监测困难等问题,提出并联全桥子模块(paralleled full bridge sub-module,P-FBSM)拓扑,对MMC-HVDC具有借鉴意义。该文从P-FBSM结构出发,分析其开关状态集,进而推导以开关函数表示的并联全桥MMC桥臂模型;基于最近电平逼近调制,设计P-FBSM动态分配均压控制策略,实现无需子模块电容电压的自均压控制,有效减小控制器计算量、降低传感器实时性要求。最后,在PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果表明,采用所提均压控制策略可同时实现子模块电容电压的自均衡和直流故障电流快速清除。     

基于改进快速排序算法的MMC均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于其自身具有输出电平数高、开关频率低、波形质量好等优势而被广泛研究和使用。子模块电容的电压均衡问题是MMC的重点研究方向之一。传统均压方法随着子模块数目增加,将极大增加开关元件频率损耗和控制器运算量。该文提出了一种基于改进快速排序算法的均压策略,通过实时监测子模块电容电压,设置子模块电压间的离散度指标,继而控制排序模块的开通和保持。同时,通过排序算法的优化,使控制器在多模块时计算效率大大增加,降低硬件要求。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建MMC-HVDC模型进行仿真验证。仿真结果表明,改进的均压控制方法能够在维持系统特性相对均衡的同时,有效提高运行速度,降低子模块开关频率。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究

多端模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)一直是柔性高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)工程应用的重要部分,因此对其控制策略的研究很有实际意义。文章基于三相静止坐标系下MMC的数学模型,建立了dq旋转坐标系下的数学模型,根据瞬时功率理论设计出外环功率和内环电流的MMC-HVDC系统控制器。针对传统电容电压平衡策略的问题,从减少开关频率的角度提出了改进型的子模块电容均压方式。由于文章中真模型中相单元子模块过多,为使系统更稳定可靠运行采用了最近电平逼近策略(Nearest Level Modulation,NLM)。最后在Matlab/Simulink仿真软件中搭建89电平双端有源MMC-HVDC系统模型,从改变控制器参考值、有功功率反转等角度对控制系统进行仿真分析对比,验证了MMC-HVDC系统控制器的可靠性和稳定性。     

混合型模块化多电平换流器的模型预测控制方法

混合型模块化多电平拓扑是由传统模块化多电平拓扑在每个桥臂上增加一个H桥模块构成。对于混合型模块化多电平换流器(MMC),基于比例积分(PI)控制器的双闭环控制策略需要多个参数控制器且具有参数整定复杂、对控制参数敏感等问题。为此,结合子模块电容电压排序算法与H桥模块控制算法,提出一种基于模型预测控制的分层控制策略,该方法通过建立相对应的指标函数对交流侧电流、环流与子模块电容电压进行分层控制,从而确定各子模块与H桥模块的开关状态。与传统控制方法相比,该方法原理简单、无需考虑复杂的参数整定且可使系统具有良好的动静态性能。最后搭建了混合型模块化多电平换流器的仿真平台,仿真结果验证了所提控制策略的有效性与正确性。     

MMC-HVDC无源性PI稳定控制与环流抑制方法

模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter, MMC)日益广泛应用于高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)技术中,但MMC的多变量、强非线性特性,使其稳定控制问题成为拓展应用的瓶颈所在。从能量耗散和环流抑制的角度出发,基于MMC动态数学模型,直接在abc静止坐标系下建立双线性Lagrange方程。以均衡子模块电容电压为目标设计能量函数,结合PI控制简单架构,提出新型的无源性PI控制方法,使系统沿Lagrange积分最小化轨迹移动。在满足系统全局渐进稳定的前提下,实现期望轨迹的快速跟踪。针对MMC-HVDC环流产生的变流器损耗增加问题,设计MMC环流控制器,获得无源性PI控制环节桥臂电压补偿量,实现电容电压平稳和环流有效抑制。仿真结果表明所提出的方法具有响应快速、稳定性高、鲁棒性强的特点。     

基于非线性PID控制理论的单相PWM整流器研究

在单相电压型PWM整流器的控制方面,基于传统线性控制理论所设计的电压环PI控制器存在着系统动态性能差、参数整定困难等缺点。文章首先以单相电压型PWM整流器的双环控制为基础,对PWM整流器模型进行数学分析,然后引入新的非线性函数对电压环的控制性能进行优化,进而提出了一种单相PWM整流器的电压环非线性PI控制器控制方案。最后利用MATLAB软件搭建仿真平台,与传统PI控制器的仿真对比表明该方案不仅计算简单易于实现,系统的动态性能好而且还能进一步增强系统的抗干扰能力。     

MMC-HVDC物理模拟系统的控制器架构设计

相比传统直流输电,模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电的一次系统与二次系统都更为复杂,并且控制系统的特性一定程度上决定了MMC-HVDC系统的性能。为研究物理控制器的设计方法,文中首先设计了MMC-HVDC物理模拟系统的主系统结构与电气参数,然后重点研究了分层的MMC-HVDC控制系统架构,运行人员控制系统(上位机)、极控制和保护系统、阀基控制器、子模块控制保护单元等由高到低构成了完备的控制体系,确立了各控制层之间的通信方式与内容,开发调试了控制系统程序。最后,进行了MMC-HVDC物理模拟系统的系统实验。实验表明控制系统可以有效地实现物理模拟系统的启停、子模块电容电压平衡、基本的故障保护以及直流电压与功率的控制。     

基于无差拍电流控制的MMC-HVDC系统控制策略研究

随着电平数的增加,基于dq0旋转坐标系MMC-HVDC的控制器运算量会非常大。为了提高运算速度,根据MMC换流器的等效电路设计了基于三相静止坐标系下的MMC-HVDC系统控制器。该控制器将无差拍电流控制与最近电平调制算法相结合,并对电流参考值的采样选取方法进行了改进,提高了控制器精度。该控制器不仅动态响应快,精度高,实现了解耦控制,而且减少了坐标转换与PI调节环节,降低了控制系统的运算量。通过在PSCAD/EMTDC下建立MMC-HVDC的仿真模型,仿真结果验证了控制器的有效性。     

基于模型预测控制的微电网逆变器控制方法研究

针对微电网内负荷随机性大和网内分布式电源对负荷变化敏感度高的问题,利用模型预测控制中的动态矩阵预估控制对适用于微电网这一特点的专用逆变器输出控制器进行改进。对传统分布式发电系统的并网逆变器内部控制结构在保留传统功率控制器的基础上,利用基于模型控制的动态矩阵预估控制方法设计了模型预测控制器来替代传统控制结构中交流侧的电压环、电流环输出控制器和直流侧电压控制器。仿真实验验证了该逆变器控制方法提高了逆变器控制器的动态响应速度,改善了传统控制器的超调、振荡、稳态误差等问题,逆变器内部控制系统的动态性能得到提升。     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

基于MPC的永磁同步直线电机位置控制

文章提出了一种基于连续集模型预测控制的永磁同步直线电机位置控制的方法,以提高永磁同步直线电机位置控制的动态响应性能和稳态精度。传统的级联型三闭环位置控制系统使用PI控制器,虽具有应用简单、适用性强的优点,但是动态响应和稳态精度却受到制约。本文详细阐述了MPC的控制原理和设计方法,在Matlab/Simulink下搭建了相应模型进行仿真验证。仿真表明,模型预测控制具有良好的动态性能和稳态精度。     

单相级联多电平H桥整流器有限集模型预测电流控制

本文以基于电力电子变压器的高速列车牵引传动系统中的单相级联多电平H桥整流器为控制对象,以提升系统动态响应速度、减小网侧电流谐波含量为控制目标,提出了一种基于两矢量的有限集模型预测电流控制算法。首先,推导单相级联多电平H桥整流器的α-β静止坐标系下数学模型;然后,基于空间矢量调制思想,对单相级联多电平整流器进行基本电压矢量定义与空间扇区划分;在此基础上,建立包含最小电流误差的目标函数,通过对其求导实时计算出两个矢量的最优占空比,同时为了保证各模块直流侧电容电压的平衡关系,设计了选取冗余矢量的原则。与基于PI的瞬态电流控制算法相比,所提出的模型预测控制算法无需内环PI控制器,显著提高了电流内环的动态响应速度;最后,对所提算法与传统的瞬态电流控制算法进行硬件在环半实物实验对比研究,结果表明了所提算法的可行性与有效性。     

虚拟同步直驱风电场经MMC-HVDC并网的低频振荡特性分析

虚拟同步直驱风电场经功率同步环与模块化多电平换流器柔性直流(MMC-HVDC)输电互联,将存在低频振荡风险。考虑MMC-HVDC和直驱风机网侧换流器以及转子侧换流器内部的动态过程,首先建立虚拟同步直驱风电场经MMC-HVDC并网的小信号模型,并通过精细化电磁暂态仿真验证其准确性。随后,利用根轨迹方法,分析风电功率波动和交流系统强度变化对互联系统稳定性的影响,设计功率变化时虚拟同步直驱风电场的参数整定方法。结果表明,由于功率外环和MMC-HVDC送端整流站电压环作用,在风电场输出功率增大和交流系统强度降低的过程中,互联系统存在低频振荡现象。通过合理调整锁相环、虚拟同步机(VSG)有功环和MMC-HVDC送端整流站电压环的控制器参数、改变VSG阻尼项形式,可以抑制振荡并实现稳定运行。