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。     

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。     

模块化多电平换流器的建模与控制

分析了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构及原理。基于MMC的桥臂电流,建立了新型的电磁暂态模型,其中包括桥臂电流中基波分量、直流分量和二次分量的线性化方程。在此模型基础上,针对MMC桥臂电流中各分量提出相应控制策略,实现了换流器系统的外部功率控制和内部环流控制。通过Matlab／Simulink对基于所述模型的控制策略进行仿真试验,结果表明了控制策略的正确性和有效性。     

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.     

模块化多电平换流器三相桥臂电抗器有限元仿真分析

在模块化多电平换流器(MMC)运行过程中,由于每相桥臂上电容电压不相等,极易出现桥臂电压不平衡现象,伴随着桥臂中直流分量出现三相不相等情况,极易导致三相电抗器中其中一相偏磁过大,造成三相桥臂中电流不平衡,内部出现零序环流,该环流进入直流侧加剧直流侧电压、电流及功率的波动.利用有限元仿真软件搭建MMC解耦后的直流侧等效电路,针对三相铁芯桥臂电抗器输入和输出特性进行电磁场瞬态仿真,通过在磁芯上引入非线性B-H曲线效果,计算了电磁场空间分布和磁饱和效应等,分析在MMC三相桥臂中直流分量分布不同工况下对各相电感量及直流侧电流波动特性的影响,为MMC三相桥臂电抗器的设计及选择提供了参考.     

模块化多电平换流器不平衡环流抑制研究

为抑制三相电压不平衡工况下模块化多电平换流器（MMC）内部三相环流,首先对不平衡工况下的MMC进行功率分析和网络分解;然后提出了通过控制换流器出口侧有功功率恒定将4个MMC序分量网络简化为正序网络和负序网络。接着对负序网络中三相环流的产生机理和动态特性展开分析,并提出了通过正序倍频旋转变换将负序网络三相环流转换为直流分量的方法。最后结合已有文献中关于正序环流特性和抑制控制方法的结论,得到了一种基于双同步旋转坐标变换的MMC不平衡环流抑制控制器设计方法。对61电平MMC的仿真分析,证明了提出的环流抑制控制策略在不平衡工况下既可保证MMC的正常运行,又可以在不增大桥臂限流电抗大小的前提下,有效地抑制内部环流。     

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。     

基于MMC环流模型的通用环流抑制策略

模块组合多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的环流直接影响MMC的工作特性。该文推导了MMC环流、桥臂电流和公共直流母线电流之间的数量关系,指出环流是引起公共直流输入/输出功率存在低频脉动的原因。为实现对MMC环流的有效抑制,提出一种基于MMC环流模型的通用环流抑制(universal circulating current suppressing,UCCS)策略,实现原理简单,无需负序坐标变换和相间解耦环节,适用于任意相数的MMC控制,并进行了仿真和实验验证。结果表明,UCCS策略能显著抑制环流中的低频交流脉动分量,消除桥臂电流的畸变,同时可有效抑制公共直流输入/输出功率脉动,有利于MMC系统的稳定可靠运行。     

MMC环流抑制策略的暂态分析

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)内部存在环流问题,导致功率损耗和系统成本增加。在分析MMC环流产生机理的基础上,阐述了基于二倍频负序坐标变换、基于准比例谐振和基于内模控制的三种环流抑制器的控制原理,提出一种评价环流抑制器性能优劣的指标,即环流谐波占比。通过仿真对比三种策略在系统稳态运行、直流电压阶跃和接收功率阶跃等三种工况下的指标大小,得出结论:基于内模控制的环流抑制策略更适用于系统稳态运行的工况;基于准比例谐振的环流抑制策略抗干扰能力最强,更适用于系统发生直流电压或功率突变的工况。     

模块化多电平换流器电容电压与环流的控制策略

电容电压控制和环流的抑制一直是模块化多电平换流器(MMC)拓扑研究很重要的一方面,也是制约该拓扑应用于柔性高压直流输电(HVDC)领域的瓶颈。分析了模块化多电平换流器电容电压波动以及环流偶次谐波产生的机理。在排序均压的载波移相调制(CPS-SPWM)策略的基础上,附加了电容电压均衡控制,以抑制电容电压的波动。同时介绍了一种闭环的谐振环流控制器,实现对环流交流成分的抑制。该控制策略结构简单,且适用于单相系统。仿真结果表明,采用上述的控制方法,电容电压的波动和环流都得到很好的抑制,动态结果也很好。     

基于MMC桥臂电流的STATCOM不平衡补偿控制方法

为稳定模块化多电平静止同步补偿器(MMC-STATCOM)的综合补偿,其交流侧电流、内部环流和子模块电容电压均须加以控制。文章首先分析了MMC-STATCOM同时补偿无功和负序电流的原理;然后针对一般方法将MMC交流侧电流和环流分开控制,提出一种基于MMC桥臂电流的STATCOM不平衡补偿控制方法,以实现MMC内外特性的双重控制,减少了专门的环流抑制器,并采用准PR控制器进行MMC上、下桥臂电流的无静差跟踪,以减少控制系统的复杂程度;最后,在PSCAD/EMTDC中进行仿真验证,结果表明所提方法可以实现STATCOM综合补偿,同时能有效抑制MMC内部环流。     

交流谐波经MMC的传导机理及叠加特性研究

连接大量交流源、荷是基于模块化多电平换流器(MMC)的中压柔性直流配电网的未来应用场景之一。然而,非理想交流源、荷产生的谐波扰动会使MMC桥臂出现电压波动并激发环流,进而使桥臂电流畸变,导致直流侧出现纹波。为研究交流谐波经MMC的传导机理,通过平均开关函数和桥臂瞬时功率方程,推导了交流负荷谐波电流和交流系统背景谐波电压在MMC内部激发的桥臂电压波动及环流表达式,分析了其传导机理和规律。同时,分析了不同次交流谐波经MMC的传递叠加特性及其对直流侧纹波含量的影响。仿真结果验证了理论分析的正确性。     

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。     

基于环流注入的MMC电容电压平衡控制策略

针对模块化多电平变换器(MMC)存在的电容电压在不同工况下易出现波动的问题,设计了一种基于环流注入的MMC电容电压平衡控制策略,其中环流参考是基于桥臂电流瞬时值和对应调制信号获得的。相对于传统环流注入方案,新方案不需要确定输出电流的幅值和相位,具有一定的优势。此外,电容电压平衡控制方案中还设计了能够跟踪环流参考的闭环控制器。最后,搭建了5 kV·A级MMC样机开展了相关试验,试验结果验证了新型电容电压控制器的效果。     

采用电抗子模块分段投切的模块化多电平换流器降电容方法

模块化多电平换流器(MMC)子模块电容的电容电压波动使得电容值难以降低,阻碍了MMC换流阀轻型化的发展。在考虑了2次和4次相间环流的基础上,分析了子模块电容电压与桥臂电流相互影响的机理。为了降低子模块电容电压的波动水平,提出了一种以子模块形式分段投切桥臂电抗器的降容方法。分析了子模块电容电压波动的产生机理,分析了电抗子模块分段投切降容方法的原理,并设计了相应的控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)模型,验证了所提降容策略的有效性,并与现有的环流抑制策略进行了对比分析。     

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分极控制策略

现有模块化多电平换流器(MMC)主流控制为基于dq旋转坐标系的直接电流控制方式,该控制将MMC的上、下桥臂施行对称统一的控制,导致换流器直流侧必须严格对称运行,对此文中提出了MMC完整的换流站级分极控制策略,在保证联结变压器二次侧无直流偏置的前提下,有效地改善了MMC直流侧不对称运行时的运行特性。通过对MMC交流侧与直流侧间的功率传递关系的推导,设计了一种基于直接电流控制思路的MMC分极控制策略,该控制策略可以灵活、独立地控制上、下桥臂分别输出的有功功率和无功功率,兼具一定的环流抑制效果;提出电压偏置率定义,通过对控制指令的修正与配合,可以在一定换流器结构下实现联结变压器二次侧无直流偏置的前提下MMC-HVDC系统直流侧的不对称运行,且同时可以明显降低直流侧不对称故障时直流母线的过电压水平;最后基于PSCAD/EMTDC搭建了两端11电平MMC-HVDC系统模型,仿真结果验证了所设计分极控制策略的正确性,以及对于桥臂环流的抑制效果、对于直流侧不对称运行特性改善的有效性。