MMC-HVDC换流站过电压与绝缘配合研究

模块化多电平换流器高压直流输电(Modular Multilevel Converters HVDC,MMC-HVDC)换流站的过电压与绝缘配合研究是工程实施中的关键技术之一,对换流站设备的设计、选型、制造和试验都具有重要的指导作用。对世界上首个采用MMC技术的Trans Bay Cable直流输电工程换流站的绝缘配合进行了研究,提出了MMC换流站过电压的分析步骤。在PSCAD/EMTDC环境中搭建仿真模型,统计了MMC-HVDC换流站过电压分布结果,提出了MMC换流站绝缘配合的方案,确定了换流站避雷器参数和保护水平,结合适当的换流站设备绝缘裕度,最终得到了换流站设备的绝缘水平。     

单相SVG高性能补偿电流控制技术

针对单相静止无功发生器(SVG)应用场合无法获得瞬时无功、谐波丰富、工况复杂等特点,以提高单相SVG无功补偿精度,增强装置谐波抑制能力为目的,引入单相SVG系统PI加重复控制(PI+REP)的双环控制策略,根据系统数学模型设计数字PI内环,通过内环频率特性设计重复控制外环,将PI控制器低频段优越的动态性能和鲁棒性,与重复控制对周期信号高跟踪精度相结合,改善装置基波补偿精度和谐波抑制能力.频率特性分析表明,该控制策略可以有效消除传统PI控制在基波频率的相位滞后,并将500Hz以内的相位滞后降低到4.5°以内.仿真和实验结果显示,在该控制策略下单相SVG的无功补偿精度和谐波抑制能力均得到了明显提高.     

基于电压电平的MMC模型预测控制

为了实现对模块化多电平变换器(MMC)的优化控制,该文设计一种基于电压电平的MMC模型预测控制策略。基于桥臂电压和与差的关系推导MMC系统的数学模型,由数学模型设计具有分层结构的模型预测控制器;控制器中的成本函数设计综合考虑交流电流控制、环流抑制控制和桥臂能量平衡控制;成本函数将选择出最优电压电平为脉宽调制器提供电压参考。此外,子模块电容电压平衡控制使用单独的控制回路实现。最后,搭建MMC的半实物仿真测试系统。稳态和动态测试结果验证了新型控制策略的效果。     

特高压混合三端直流输电系统定功率MMC交流故障穿越策略

送端采用电网换相换流器(LCC),受端采用模块化多电平换流器(MMC)的特高压混合直流输电系统是直流输电技术重要的发展方向之一。在该系统中,各换流站每极均由高、低两个阀组直流侧串联而成。当其受端MMC发生网侧故障时,现有穿越策略或将引起定有功功率MMC阀间均压环节失效,从而导致子模块电容过压的问题。针对该现象,首先梳理了系统在故障工况下面临的主要问题和矛盾;接着,重点针对阀间均压环节失效的内部机理进行了研究,并提出了一种基于有功功率限幅值的站间协调穿越策略,此外,为使其能够较好地适用于不对称故障,采用了一种零序电压注入的方法,以平衡不对称故障下相单元间的桥臂电流直流分量;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了相关模型,通过仿真对比,验证了本文策略能够兼顾不同受端站的桥臂过流和子模块过压风险,实现交流故障的可靠穿越,并尽可能地提升了故障期间的功率传输能力。     

PR+虚拟阻抗复合控制的MMC环流抑制策略

为抑制模块化多电平换流器(MMC)内部的环流,提出了一种准比例谐振(PR)控制结合虚拟阻抗的复合环流控制方法。首先分析了MMC的拓扑结构以及内部环流产生的原因;其次设计了PR控制器,对桥臂环流二倍频谐波进行抑制,设计了虚拟阻抗实现对环流高次谐波的抑制;最后在MATLAB/Simulink平台上搭建了五电平MMC逆变电路模型。仿真结果表明,所提出的环流抑制策略能有效减小环流的交流波动幅值。     

HVDC Light系统动态建模及控制策略研究

建立了轻型高压直流输电系统动态模型,依据此模型提出了基于空间电压矢量技术的双环解耦控制策略,应用MATLAB/Simulink软件对轻型直流输电系统进行动态仿真分析,研究了在所提控制下的交直流系统相互作用,仿真结果表明,在该控制下系统具有较好的动态响应特性,同时可以实现有功和无功的独立调节.     

基于改进VEPSO的MMC-MTDC系统多目标最优潮流方法研究

针对模块化多电平换流器型多端直流输电系统(Modular Multilevel Converter Multi-Terminal DC,MMCMTDC)最优潮流问题,提出一种基于改进向量估计粒子群算法(Vector Evaluated Particle Swarm Optimization,VEPSO)的多目标最优潮流优化方法。首先建立MMC-MTDC分层控制和优化体系,换流站级采用直流电压斜率控制策略以稳定直流电压和平衡有功功率,系统级考虑线损和电压不平衡度建立多目标潮流优化模型。在兼顾系统稳定和功率平衡等约束条件的同时,加入换流站N-1约束,通过对系统进行多目标潮流优化得到MMC控制目标参考值,最终实现系统的优化运行。针对等式约束和不等式约束条件,提出了一种基于动态调整罚函数的方法以提高算法的收敛性。最后通过优化和仿真验证了所提基于改进VEPSO的多目标最优潮流计算方法的有效性。     

基于分散式储能的风电柔直并网直流故障穿越协调控制

采用架空线的柔性直流输电技术是解决高渗透率、远距离可再生能源并网消纳的有效方案。然而,架空线路故障率较高,其直流故障穿越问题亟待研究。本文提出利用风场现有分散储能实现风电柔直并网直流故障穿越协调控制。首先,研究风电场接入多端柔性直流输电系统（multi-terminal HVDC based on MMC, MMC–MTDC）中MMC及风电场储能系统等主要组成部分的拓扑结构和基本工作原理;其次,针对大规模风电经柔直并网系统的直流故障,定量分析非故障极功率裕量,通过控制风电机组全功率变流器现有并联储能系统来消纳故障期间的不平衡功率;针对不同功率消纳方案,提出由储能系统、换流站、直流断路器和风电场协调配合进行故障穿越,根据直流断路器动作信号进行故障分类,改变换流站控制方式与风电场出力,从而实现不同故障类型的快速恢复。该策略能够保持系统在故障期间并网运行且不出现闭锁、过载等问题,提升系统的稳定性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建上述仿真模型,详细研究了风电场经MMC–MTDC并网系统的直流故障穿越策略,验证了本文所提出的基于储能系统的直流故障穿越策略能够维持故障期间的功率平衡,实现故障快速恢复,平稳实现直流故障穿越。本文所提故障穿越策略有望对新能源柔直并网提供必要的依据和参考。     

电网不平衡下基于SOGI的MMC环流抑制策略

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的设计和分析通常是在电网平衡下进行,但在实际运行中交流电网是不平衡。电网不平衡将导致MMC桥臂环流的直流分量不再相等,含有2倍频的正序、负序和零序分量,使系统损耗增加,影响系统性能。首先,本文根据MMC的数学模型和相单元的瞬时功率分析环流的产生机理,得到电网不平衡时环流各分量的等效电路。然后,提出一种电网不平衡下基于二阶广义积分器（second order generalized integrator,SOGI）的环流抑制策略,该策略将三相环流中2次谐波分量与不相等的直流分量分离后单独抑制,采用比例积分（proportional integral,PI）控制经SOGI提取桥臂环流的正序、负序2倍频分量,采用准比例谐振（proportional resonant,PR）控制环流的零序2倍频分量。最后,在PSCAD/EMTDC平台中搭建217电平的MMC系统模型,将本文所提环流抑制策略与传统环流抑制策略、采用准比例谐振器控制环流抑制策略和采用比例积分谐振（proportional integral resonant,PIR）控制环流抑制策略进行仿真实验对比。实验结果表明：在单相非金属接地故障时,与其他3种环流抑制策略作对比,本文策略能将环流的2倍频分量抑制到0.000 6 kA,将谐波畸变率降低到0.03%,表明所提策略的优越性;同时在两相非金属接地故障时,本文策略能将环流的2倍频分量抑制到0.003 9 kA,谐波畸变率降低到0.22%。仿真实验结果验证了本文方法的有效性。     

一种基于嵌套式全桥的新型混合MMC拓扑

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)采用子模块级联方式,开关频率低、波形质量高、故障处理能力强,已成为当前柔性高压直流输电研究和应用的热点。基于半-全混合MMC的柔直系统可以有效清除直流侧故障,但全桥子模块在投资成本和稳态损耗上均需做出较大牺牲。为提高MMC的经济性,提出了一种包含嵌套式全桥阀段(Embedded Full-Bridge,EFB)的新型混合MMC拓扑,该阀段利用半桥整体翻转以对外输出负电平,可作为级联式全桥阀段的替代性方案。以一个简单仿真算例说明其工作原理,并在直流故障无闭锁穿越控制策略下的双端柔直系统中仿真验证了其故障清除能力。最后通过计算说明其相比传统半全混合MMC具备经济性优势。     

基于混合直流的受端电网黑启动方法及协调恢复策略

作为直流输电的新方向,混合直流结合了传统以及柔性直流系统的优点,可在电网黑启动中发挥重要作用。为明确混合直流参与黑启动的技术条件与控制方法,针对两端电网换相换流器–模块化多电平换流器（line commutated converter–modular multilevel converter,LCC–MMC）混合直流输电系统,提出了受端电网大停电情况下基于混合直流的黑启动方法及受端电网协调恢复策略。根据黑启动不同恢复阶段特征,首先,明确了在起始阶段受端系统全黑情况下混合直流的启动方法,包括送端LCC换流器和MMC受端换流器的启动及控制方法。然后,针对黑启动初期的弱交流系统阶段,采用可增强系统稳定性的混合直流虚拟同步协调恢复策略;在系统达到一定强度后,提出了相应的控制策略及不同控制方式间的平滑切换方法。最后,在PSCAD/EMDTC软件中进行了仿真验证,结果表明：黑启动初期LCC采用耗能电阻启动能有效满足最小启动电流限制;MMC经限流电阻启动后采用无源网络控制可实现无源端交流电压的建立,并维持系统电压和频率在稳定范围内;在非黑启动电源机组和负荷并网后,交流系统强度改变,所提的3阶段控制切换策略能够有效实现各阶段平滑过渡,且在弱交流系统阶段采用虚拟同步控制可保证弱交流系统阶段的系统稳定性,3阶段控制策略与两阶段恢复策略相比具有显著的优势,从而验证了所提黑启动方法和协调恢复策略的有效性。     

一种适用于电压源换流器型直流输电的直流电压控制

直流电压稳定是关系到电压源型直流输电系统可靠运行的关键问题之一。为了确保电压源型直流输电系统在一侧换流器故障时仍能有效控制直流电压,在分析电压源换流器在不同控制模式下的外特性的基础上,提出了采用基于直流电压下垂控制的直流电压控制策略。控制器采用该策略后,能实现有功功率控制模式与直流电压控制模式之间的自动转换,确保定直流电压控制的换流站故障退出后,输电系统仍能有效地控制直流电压。最后以一个两端系统为例进行仿真验证,结果表明系统获得良好的动态性能。     

考虑内部动态约束的MMC功率运行区间的确定及控制方法

为了正确评估模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的内部动态约束对运行区间的影响,提出一种通过求解MMC状态空间方程来获取MMC内部动态进而确定其功率运行区间的功率扫描方法。建立基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC)系统的稳态模型,通过求解状态方程得出各功率点对应的状态变量;提出一种系统非正弦周期电气量极值的计算方法求解各内部动态约束的幅值;通过逐点扫描得到满足MMC内部动态约束和常规约束时的功率运行区间。针对功率设置可能越限的情况,设计保证系统满足内部动态约束的边界控制策略。在PSCAD/EMTDC中进行仿真,仿真结果验证了MMC功率运行区间确定方法的正确性及边界控制策略的有效性。     

基于一致渐近稳定观测器的模块化多电平变流器控制系统设计

为了实现模块化多电平变流器(MMC)各模块之间电容电压均衡,减少电压传感器数量,设计非线性的降维状态观测器,并提出基于该观测器的系统控制方法.依据三相MMC拓扑结构,以三相环流、交流输出电流和所有模块电容电压为状态变量,建立状态空间模型. 结合模型,提出观测器的设计方法,该观测器通过测量MMC电路中6个桥臂电流和6个桥臂投入模块总电压,结合开关信号观测得到各模块电容电压. 利用无源理论和持续充分激励条件,证明在载波移相调制策略和最近电平调制策略下,观测器误差模型是一致渐近稳定的. 以该观测器为基础,设计MMC功率电流双闭环控制器. 通过搭建的仿真模型验证所设计观测器的观测值能够准确跟踪实际值,系统鲁棒性和动态性能较好.     

大规模光伏电站经柔性直流并网系统故障穿越策略

大规模光伏经柔性直流并网系统采用直流架空线路是未来新能源并网的趋势之一。然而,架空线直流短路故障发生概率较大,极易导致光伏电站脱网或换流站电力电子器件损坏。本文首先根据柔性直流输电系统、光伏电站特性,建立了相应的数学模型及仿真系统模型;其次,针对大容量光伏经双极模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流功率传输系统发生直流架空线路单极短路接地故障工况,分析其故障特性;最后,提出综合考虑直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB),换流站控制方式,光伏电站功率出力控制的直流故障穿越的协调控制策略。即故障发生时利用非故障极换流站继续进行功率传输,根据换流站额定功率与光伏电站输出功率计算得到不平衡功率,充分利用光伏阵列自身功率输出特性,优化光伏电站内的直流线路电压,实现控制光伏电站输出功率减载;对直流架空线路在瞬时故障情况下的故障穿越问题,提出了光伏电站减载以及换流站功率前馈增量控制,从而维持系统功率平衡,提高系统的并网稳定性;基于PSCAD/EMTDC的建模仿真,通过故障穿越措施前后的系统参数对比,表明所提方法能够有效的维持光伏电站与柔性直流系统运行特性,平稳实现故障穿越。     

混合直流输电直流侧谐波分析及滤波器设计

为评估混合直流输电直流侧电压质量,解析其谐波成分和幅值计算等效电路,该文采用平均开关状态法分析MMC,调制理论分析LCC产生的谐波,推导各次谐波的幅值计算表达式,简化等效电路。在此基础上,分析了LC滤波后的波形和谐波成分,在交流侧三相不平衡度较大时,LC滤波器平抑低频谐波效果差;为抑制因三相不平衡引起的直流侧低频脉动,设计了两种3阶低通滤波器,并对比了它们与LC滤波器在滤波效果和动态响应时间上的差别,结果表明巴特沃斯滤波器的指标最佳。利用MATLAB/Simulink软件建立了混合直流输电模型,仿真结果显示所推导的谐波幅值计算表达式和等效电路能正确反映直流侧的谐波特征,所设计的滤波器能更好地消除低频谐波。     

超级电容储能系统中双向DC-DC 变换器控制策略研究

城市轨道交通站间距较短、运行密度大,列车需要频繁的启动和制动,列车在启动时需要大量能量,导致直流牵引网电压下降;列车在再生制动时产生大量能量,导致直流牵引网电压升高,严重时还会使再生制动失效。针对这一问题,提出将双向DC-DC变换器应用于超级电容储能系统中,并设计了电压外环、电流内环的双PI控制策略。利用Matlab/Simulink搭建了双向DC-DC变换器和超级电容储能系统的仿真模型,分析了双向DC-DC变换器在Buck模式、Boost模式下的运行情况以及电压外环、电流内环的双PI控制策略的控制效果。仿真结果验证了双向DC-DC变换器能够实现能量的双向传输和控制策略的有效性。     

A modular multilevel power flow controller for meshed HVDC grids

Based on the comparison of existing power flow controllers (PFC) in meshed HVDC grids, the full-bridge modular multilevel converter based PFC (MMPFC) is proposed. At first, the general branch current calculation method of meshed HVDC grids with the PFC is presented, and then, the issue of over-voltage on the thyristor based PFC is described and analyzed. Through the analysis of different operating modes of the full-bridge sub-module, the mechanism of over-voltage ride through of the MMPFC is indicated. The control strategy of the MMPFC, which is used to control branch current and keep capacitor voltage balancing, is elaborated. Finally, the performance on current regulation, bidirectional operation and over-voltage ride through is simulated and verified in a built model with PSCAD/EMTDC.