模块化多电平型变流器电容电压波动及其抑制策略研究

以模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)上下桥臂的功率流动和能量波动为出发点,得到模块化多电平变流器上下桥臂子模块电容电压波动的数学模型。分析子模块电压波动与MMC传输功率、内部环流等物理量之间的关系。提出通过控制MMC内部环流的二次分量来抑制子模块电容电压波动的控制策略,通过测量相电流瞬时值和相电压调制值得到内部环流参考值,引入准比例谐振(Proportional-Resonant,PR)控制器进行环流闭环控制从而抑制子模块电容电压波动。该控制策略无需坐标变换,无交叉耦合项,简化了控制器的设计。仿真表明,在保持子模块电容大小不变的前提下,该控制策略能有效抑制子模块电容电压的波动,改善MMC输出的交流电压波形质量。     

MMC变流器的无差拍电流预测控制器研究与设计

为了提高模块化多电平变流器MMC(modular multilevel converter)的稳定性与动态性能，实现环流抑制，提出基于交流电流和环流双目标调节的无差拍控制。通过MMC单相等效电路的动态方程，设计MMC交流电流分量以及环流分量的无差拍电流预测控制器，并针对实际控制存在的时延问题进行理论分析提出改进措施。通过搭建无差拍控制下模块化多电平变流器的十电平Simulink仿真模型，验证控制策略的有效性。结果表明：通过无差拍控制可以显著提高模块化多电平变流器的稳态和动态性能，且达到环流抑制和均压的目的。     

基于模型预测控制的模块化多电平变流器桥臂能量控制策略

已有模块化多电平变流器(MMC)控制策略大多采用单一子模块电容电压参考给定的控制方式,存在无法分别控制不同桥臂子模块电容电压等不足。提出一种基于模型预测控制的MMC桥臂能量控制策略,通过引入桥臂能量共模分量和差模分量控制,实现各桥臂子模块电容电压的灵活控制;同时,基于MMC的暂态数学模型设计相电流及环流模型预测控制器,并引入电流误差反馈滚动优化,有效地实现了外部相电流和内部环流的解耦控制,使环流控制器具有能灵活实现环流抑制和环流注入的特性,且对系统参数不敏感。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

基于多谐振控制器的MMC简化环流抑制策略

模块化多电平变换器(MMC)的内部环流主要由直流分量和偶次谐波分量组成。环流谐波分量会提高对开关器件的要求,严重时甚至会影响MMC稳定工作,因此有必要对环流进行抑制。为了获取环流直流分量,设计了数字低通滤波器,依据MMC环流成分组成公式计算出环流偶次谐波分量和,在此基础上,提出基于多谐振控制器的MMC简化环流抑制策略。此外,构建了MMC环流闭环控制模型。在详细分析准比例谐振控制器各参数对系统稳定性影响的基础上,设计二次准谐振控制器参数,为环流控制器参数设计提供了依据。最后通过实验研究,证明所提出的简化环流抑制策略能有效降低环流谐波分量,减小桥臂电流畸变,有利于MMC稳定工作。     

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。     

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.     

不平衡状态下MMC双回路环流抑制策略

模块化多电平换流器(MMC)的内部环流将会增加换流器的功率损耗,降低桥臂容量利用率;同时加剧桥臂电流畸变,影响开关器件的安全运行。因此,需要采取有效的控制手段抑制环流。该文通过详细的相单元瞬时能量理论推导,得到MMC内部环流和环流抑制控制器输出电压间的交互作用会造成环流四倍频分量增加的结论。在基于准比例谐振调节器的环流抑制策略基础上,添加环流辅助控制回路,提出了一种环流抑制能力增强型的双回路环流抑制策略。通过合理整定调节器参数可以改善环流抑制控制器的闭环零极点分布,增强控制系统的稳定性,同时提高环流抑制控制器在谐振频率附近处的环流抑制能力。在PSCAD/EMTDC中搭建三相MMC详细仿真模型,验证了双回路环流抑制策略的正确性和有效性。     

基于混合谐波与附属电压的MMC变频运行方法

针对模块化多电平变流器(MMC)在变频运行状态下子模块电容电压存在剧烈脉动、桥臂电流以及输出电流出现严重畸变的问题,提出一种基于混合谐波注入与附属电压能量控制的MMC变频运行控制策略。该策略从MMC桥臂能量出发,通过将注入混合谐波的高频共模环流与方波高频共模电压相结合,抑制子模块电容电压脉动并降低桥臂电流开关应力和系统损耗。同时,还引入了附属电压能量控制,实现了三相桥臂能量的均衡控制,简化了额外的环流控制器,改善系统的稳定性。最后通过实验验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于单相矢量控制的MMC环流抑制策略

模块化多电平变流器(MMC)在正常运行时子模块和桥臂的电气量存在循环耦合关系,会在相内产生二倍频环流。二倍频环流对MMC输出功率无贡献,却增加了开关管额定容量和通态损耗,也给MMC系统带来高次谐波扰动,影响系统的正常运行。为抑制相内二倍频环流,本文提出了一种基于单相矢量的环流控制方法,控制器输出相应的控制补偿量对MMC桥臂电压进行补偿调制,实现了相内二倍频环流的抑制。最后采用专业软件PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,其结果验证了所提控制策略的可行性。     

基于微分平坦理论模块化多电平换流器环流抑制控制方法

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Convert,MMC)三相桥臂相间环流问题,基于微分平坦理论推导出一种环流抑制控制模型。通过分析MMC相间环流的产生本质,根据微分平坦理论的定义,选取系统的输入,输出和中间量,证明了设计出的环流抑制控制器满足微分平坦理论的条件。基于该理论设计的环流抑制控制器,能够大大降低桥臂电流中的环流分量,使其更接近正弦波。最后通过Matlab/Simulink搭建了相应的MMC仿真模型,在未影响MMC外部电压电流的情况下,仿真结果证明了该环流抑制控制模型的有效性,为环流抑制控制器的设计提供了一种新的思路。     

基于零序环流控制器的海上风电MMC-HVDC并网系统小干扰稳定分析与优化控制

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流(high voltage direct current,HVDC)输电技术广泛应用于海上风电并网工程,并网系统的小干扰稳定性问题一直备受关注。文中围绕MMC零序环流控制器对海上风电MMC-HVDC并网系统稳定性的影响展开研究,首先采用复矢量和谐波状态空间的方法建立MMC闭环频域模型,进而推导出考虑零序环流控制器的MMC单输入单输出阻抗模型,其次建立海上风电与集线网络阻抗模型。基于以上模型探究零序环流控制器对并网系统稳定性的影响规律及作用机理。分析结果表明,海上风电场出力过大时,系统易出现振荡风险;零序环流控制器的投入等效增大了桥臂电阻,增强了系统阻尼,能够有效抑制孤岛控制模式下MMC的阻抗谐振峰值。最后,从增强系统阻尼的角度设计零序环流控制器参数优化方案,通过仿真验证理论的正确性和方案的可行性。     

交流系统不对称时MMC系统小信号稳定性研究

交流系统不对称时,相序分离环节和负序电流抑制控制器在抑制负序分量的同时会对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)系统的小信号稳定性产生负面影响。该文首先建立交流系统不对称时MMC系统的小信号模型,并与详细电磁暂态仿真对比验证模型的正确性;然后采用特征根分析研究正序电流矢量控制器和环流抑制控制器在交流系统不对称与对称两种工况下参数的可行域和模态阻尼特征,并通过参与因子法揭示主导模态的关键参与电气和控制变量;最后研究负序电流抑制控制器参数对MMC系统小信号稳定性的影响。结果表明,交流系统不对称时正序电流矢量控制器和环流抑制控制器参数的可行域减小,且系统弱阻尼模态增多,因此MMC系统的小信号稳定性降低;负序电流抑制控制器由于与MMC换流站内部交互耦合,MMC内部模态会随着负序电流抑制控制器参数的增大而趋于不稳定,最终导致系统失稳。     

模块化多电平变换器分数阶PIl环流抑制策略

模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)内部环流增加系统功率损耗,加剧桥臂电流畸变。针对传统PI环流控制器存在鲁棒性较差、控制精度有限等问题,将分数阶PI? 控制器应用于MMC环流抑制。首先,对MMC工作特性进行分析,阐述环流产生机理。其次,研究分数阶PI? ?控制结构,并设计MMC分数阶PI? 环流抑制策略。然后,采用经典频域法优化分数阶PI? 控制器参数,并对分别采用传统PI和分数阶PI? 控制器的系统环流控制性能进行对比分析。最后,在相同条件下,通过对采用上述两种环流抑制策略的MMC系统,分别在电源扰动、直流侧电压阶跃和三相不平衡工况下进行仿真研究。结果表明,分数阶PI? 环流抑制器的抗电源扰动性和环流抑制能力均优于传统PI环流抑制器,更适用于MMC此类的非线性系统的控制。     

基于PID积分滑模控制的MMC环流抑制研究

针对模块化多电平变流器(MMC)的环流问题,提出一种比例积分微分(PID)积分滑模控制环流抑制策略。首先,根据MMC的拓扑结构建立数学模型和环流抑制原理;然后,阐述了基于二倍频负序坐标变换的比例积分(PI)控制器和PID积分滑模控制的两种环流抑制器的控制原理,对比了两种策略的优缺点;最后,硬件样机实验结果对比验证了该控制策略的可行性。     

风电并网用全功率变流器谐波电流抑制研究

电网低次谐波电压和电力电子器件的非线性将使得风电并网变流器产生较重的并网谐波电流,为改善风电并网用全功率变流器系统的输出电能质量,在详细分析网侧变换器的谐波数学模型的基础上,提出一种抑制并网低次(5、7、11、13次)谐波电流分量的交叉耦合控制策略。该控制策略通过在多同步旋转坐标系下检测各次并网谐波电流的直流分量,采用电流交叉耦合控制方式实现对各次谐波电流的准确控制,详细分析并设计谐波电流交叉耦合控制器。所提控制方案考虑了各次谐波电流回路的交叉耦合影响,可有效降低各次谐波电流以及基波电流之间的相互影响作用,有利于提高系统工作的稳定性。仿真和实验结果验证了所提控制方案的正确性和可行性。     

基于改进复合控制的模块化多电平STATCOM环流抑制策略

随着电网对无功补偿装置电压等级要求的提高,基于模块化多电平变流器的STATCOM逐渐成为研究热点。本文针对MMC自身运行机理在其桥臂上产生的严重环流问题展开研究。首先,利用开关等效模型建立了MMC变流器的数学模型,并在此基础上分析了环流的产生机理及影响。据此,提出了一种重复控制+比例积分控制的复合控制的环流抑制方法,同时在MMC数学模型的基础上,利用小增益原理对重复控制器的稳定性进行了分析,并给出了衰减函数和超前补偿环节的设计方法。最后,利用搭建的MMC-STATCOM仿真模型对所提环流抑制策略及稳定性分析的可行性和有效性进行了验证。     

模块化多电平柔性直流输电新型控制策略

首先简要介绍了模块化多电平变换器(MMC)的工作机理;其次针对MMC电容电压平衡问题和环流抑制问题,提出一种基于CPSM调制的改进MMC相间环流抑制和电容电压平衡控制方法;最后,针对MMC-HVDC交流系统不对称故障,设计了基于无差拍控制的分序电流内环控制器和系统外环功率控制器。基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

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。     

基于虚拟电阻的MMC子模块故障容错环流抑制策略

针对模块化多电平变流器(MMC)子模块故障下容错环流抑制问题,分析了子模块故障状态下的环流特性,进而指出了准比例谐振(PR)控制在子模块故障容错环流控制中的通用优势。通过对采用准PR控制方式的子模块故障容错环流控制器进行分析与改进,提出了一种包含虚拟电阻前馈补偿环节的子模块故障容错环流抑制策略,其在保证实现子模块故障下环流抑制的同时可通过引入的虚拟电阻提高整个控制器的响应速度,使得子模块故障时刻的直流电流以及环流的冲击得到快速、有效的限制,优化了整个系统的性能。仿真与实验结果验证了该环流抑制策略的有效性。     

不平衡电压下的MMC控制策略研究

模块化多电平变流器MMC(modular multilevel converter)在高压直流输电领域有着众多优势,在未来传输新能源电能有着重要作用。在不平衡电压下,基于交流有功功率的分析,设计了基于正、负序控制的电流控制器,消除有功功率二倍基频波动。同时,MMC桥臂环流包含正、负、零三序分量,传统环流控制器(CCSC)仅考虑了负序分量,因而并不适用不平衡电压。在瞬时功率理论分析的基础上,提出并设计了一种基于直接控制环流正、负、零三序分量的环流控制器。通过Matlab/Simulink仿真平台,与传统二倍频负序旋转坐标变换的环流控制器对比,验证了所提出控制器的有效性。