基于M3C的低频输电系统不对称故障穿越控制策略

低频输电技术兼具高压交流及高压直流输电技术的优势,具有良好的发展前景。但当系统发生不对称故障时,子换流器间电容电压均衡被破坏,影响低频输电系统的安全运行。鉴于此,提出了一种(modular multilevel matrix converter, M3C)不对称故障穿越控制策略。该方案既能在一定程度上限制短路电流,又能平衡子换流器间电容电压,有效提高M3C不对称故障穿越能力。首先介绍M3C的拓扑和工作原理,分析M3C不对称故障期间的运行特性。进而在dq坐标系下推导故障侧电压电流,计算M3C故障侧有功功率表达式并对其中的直流分量部分进行提取。通过将直流分量不均衡抑制为零的方式确定负序电流参考值,用以实现故障侧的负序控制。最后,搭建基于M3C的低频输电系统模型,通过仿真验证了所提方案的有效性和可行性。     

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。     

不对称交流电网下MMC-HVDC系统的控制策略

在MMC-HVDC系统中,交流电网不对称会导致MMC换流器交流侧电流不平衡、直流侧出现较大的2倍频电流和电压波动等问题。为解决这些问题,该文建立不对称交流电网下MMC-HVDC系统的数学模型,提出一种带有前馈补偿的交流电流、桥臂环流和直流电流的解耦控制策略及子模块电容电压和直流电压的平衡控制策略,避免了由交流电网不对称引起的功率振荡传播到直流系统,抑制了直流侧电流和电压波动,使得MMC在交、直流系统间起到了"防火墙"的作用。同时,改善了换流器直流侧电流、交流侧电流、子模块电容电压和直流电压控制的暂态性能。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。     

基于补偿原理的MMC-HVDC系统不对称故障控制策略

为提高模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统交流侧发生不对称故障时控制系统的运行特性,研究了电网发生不对称故障下的负序电流抑制和直流电压稳定的控制策略。针对双序内环电流控制系统需要进行电压电流的旋转变换且d轴和q轴之间存在耦合的问题,设计了二阶复数滤波器对电网电压的正负序分量进行提取,并采用电压补偿原理对提取出来的负序分量设计了负序内环电压控制器,对双序内环电流控制器进行了有效的改进,简化了控制系统的结构。为实现不对称故障下直流电压的稳定,基于模块化多电平换流器(MMC)低频连续模型,在不对称故障下推导出桥臂功率和子模块电容电压中均含有二倍频的负序波动分量和二倍频的零序波动分量,进而设计了二倍频零序补偿控制器。在PSCAD/EMTDC中搭建了上述控制器,仿真结果表明所提出的控制策略可以有效抑制负序电流、稳定直流母线电压。     

电压源换流器接地方式对直流配电系统的影响

针对低压直流(Low Voltage Direct Current, LVDC)配电系统分析比较了电压源换流器不同接地方式的优缺点。分别在换流器电容中点直接接地和高阻接地方式下,对换流器交流出口处不对称故障特性和直流线路单极接地故障特性进行了分析,并建立LVDC电磁暂态模型进行了仿真研究。对比系统不同工况下的暂态性能可知,电压源换流器电容中点高阻接地方式优于直接接地方式。高阻接地的方式对限制故障电流更为有利,同时也有利于直流配电系统故障消除后的快速恢复,这为未来直流配电系统保护方案的配置奠定了基础。     

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。     

LCC与FH-MMC混合直流输电系统直流单极接地故障穿越控制策略

混合直流输电系统整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC),逆变侧采用混合型模块化多电平换流器(full half bridge modular multilevel converter,FH-MMC)。直流单极接地故障是直流输电系统主要故障类型,在发生直流侧单极接地故障时,混合直流输电需切换运行模式,LCC侧由双极运行转为单极运行,FH-MMC侧通过桥臂输出负电平电压消除交流电压直流偏置以及故障电流。通过对该运行模式下FH-MMC桥臂功率流动特性进行分析可知,上、下桥臂产生能量不平衡问题,导致故障桥臂子模块电容电压持续上升,影响开关器件的安全运行。为此,基于基频环流注入的能量平衡策略提出一种直流单极故障穿越控制策略,保证直流母线单极接地故障下正常极仍可传递一半的额定功率,实现混合直流输电不停机运行。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建混合直流输电仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

基于功率解耦控制的电流注入式HVDC换流器运行特性的研究

研究基于MLCR-CSC的HVDC换流器在电网不同工况下的功率控制特性。从实际工程角度出发,设计了两组MLCR-CSC(DMLCR-CSC)协调工作的方案,提出了双组多电平电流重注入换流器(DMLCR-CSC)作为HVDC换流器。分析了DMLCR-CSC在功率解耦控制的可行性,提出了有功功率和无功功率解耦控制思想。采用的9电平DMLCR-CSC主电路晶闸管器件具备零电流关断(ZCS)特点。在输电网正常工况下,网侧单相接地故障、两相短路故障和直流侧短路故障时,换流器可以在1/6个周期内把电流降到零,并且THD含量与触发角度无关。仿真验证了DMLCR-CSC构成的HVDC换流器是高压大功率电能传输的一种可靠的选择。     

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.     

基于超级电容储能系统的不对称故障下PMSG控制策略研究

为了提高直驱型永磁同步风力发电机的低电压穿越能力,通过对其在电网电压不对称故障下产生的2倍工频分量机理进行分析,提出了一种基于超级电容储能系统的新型改进控制策略。基于功率平衡的思想,直流侧采用超级电容储能系统,并改用功率外环电流内环的控制策略,以实现不对称故障时堆积在直流侧不平衡功率的平滑控制。同时,在网侧采用双二阶广义积分器锁相环替代传统方法中的单相锁相环,实现不对称故障时正负序基波分量的精确测量。通过Matlab/Simulink仿真表明,该控制策略能有效抑制系统在不对称故障时的网侧有功和直流侧电压二倍频波动,提高系统在不对称故障下的低电压穿越能力,证明了所提出改进控制策略的有效性。     

基于对称双极接线的全桥型MMC-HVDC直流侧短路故障穿越控制 方法

基于模块多电平换流器的高压直流输电技术(High Voltage Direct Current Transmission Technology Based on Modular Multilevel Converte, MMC-HVDC)因开关频率低、运行损耗小及易于扩展多端网络等优点被广泛应用。直流侧短路故障因短路电流大,故障电流上升速率快且难以抑制,对MMC-HVDC的发展造成了严重困扰。提出一种MMC-HVDC直流侧短路故障穿越控制方法,该方法基于对称双极接线的全桥型MMC-HVDC,且在直流侧采用高阻接地及金属回线,在发生直流侧短路故障时利用全桥型模块多电平换流器及时反转输出直流电压极性,实现故障电流抑制。同时利用金属回线构建成新的功率回路,快速恢复故障期间的有功功率传输。所提出的故障穿越策略,可以有效消除MMC-HVDC系统在发生直流侧短路故障时换流设备受到的故障电压及电流应力,同时避免换流器闭锁,防止功率缺失。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证了所提出的直流侧短路故障穿越控制方法的有效性。     

MMC-HVDC双极短路故障机理及暂态特性研究

MMC-HVDC输电系统直流线路的双极短路故障严重威胁系统的安全稳定运行,针对该问题研究了故障的暂态过程,并对故障特性进行了详细分析。首先,针对换流器闭锁前阶段,提出了反映MMC子模块动态投切过程的等值电路模型,仿真结果表明该等值电路模型可以准确有效地反映MMC子模块的高频投切过程,子模块电容的交替放电使直流侧故障电流上升更加迅速;其次,针对换流器闭锁后阶段,结合等效电路建立了数学描述方程,提出了换流器闭锁后的三阶段分析方法。分析表明换流器闭锁后,各桥臂电流中除闭锁前电容放电产生的非周期分量外,还存在闭锁瞬间桥臂电感上出现的非周期分量;直流侧出口故障时,故障电流峰值可能在换流器闭锁后出现。PSCAD/EMTDC模型仿真验证了所提理论分析结果的正确性。     

LCC-MMC混合直流输电系统整流侧故障穿越控制策略

整流侧采用电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC),逆变侧采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)构成的混合直流输电系统,结合了LCC、MMC的优点;同时,当MMC为半桥子模块和全桥子模块各占50%的混合型MMC时,系统具有较强的交直流故障穿越能力。针对整流侧交流系统严重故障下半桥子模块和全桥子模块电容电压不平衡的问题,提出一种改进的环流控制策略。改进的环流控制策略通过检测MMC的运行工况,调整环流控制器的参考值,从而使桥臂电流具有正负交替的特性。其次,提出基于虚拟电阻和电流指令限值的故障暂态电流抑制策略,能够抑制故障穿越期间交直流电流的振荡,确保系统安全稳定运行。基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建LCC-MMC混合直流输电系统,仿真验证了所提控制方法的有效性。     

CCC-HVDC系统的故障恢复特性

随着大容量、远距离输电的应用日益广泛,应用传统换流器的直流输电系统有明显的缺陷,而电容换相换流器(CCC)由于其特有的换相特性,成为研究的热点。如果要应用于实际工程,必须首先对它的暂态特性有详细的了解。为了研究CCC-HVDC系统的故障恢复特性,首先利用PSCAD/EMTDC对CCC-HVDC系统和普通换流器系统分别建模,研究二者在各种暂态故障下的动态特性,记录了两个系统在各种故障下,整流侧和逆变侧的电压和电流。仿真结果表明CCC-HVDC系统和普通换流器系统在不同的故障情况下,表现出的暂态特性有明显差异。通过比较发现,在三相交流故障,直流线路故障和阀短路故障中,CCC的故障恢复特性都比普通换流器好,CCC提高了抵抗换相失败的能力,降低了甩负荷过电压,CCC在整流装置中的阀短路过电流比普通换流器的小。在CCC中通过使用可控串联电容可减小铁磁谐振。但在不对称故障中,CCC系统的恢复特性没有传统换流器系统好。     

苏州同里±10 kV柔性直流配电系统直流故障特性研究

基于苏州同里±10 kV直流配电系统参数,针对直流单极接地和极间短路故障暂态特性进行了研究。采用示范工程系统结构及控制策略,利用PSCAD建立了电磁暂态模型,针对系统交流侧、换流器侧、直流侧和负荷侧进行了故障过电压、过电流研究,分析了接地电阻对直流侧电压和电流的影响。结果表明：系统直流侧发生单极接地故障时,交流侧出现持续直流分量,换流器不闭锁,DC-DC变换器高压侧电容放电;故障接地电阻对直流侧电压、电流影响大;极间短路故障产生严重过电流,将触发换流器过电流保护,导致换流器闭锁;故障电流是产生过电压的重要原因;电感元件两端过电压较大,极间故障对系统交流侧影响较小。     

电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略

交流电网不对称故障工况下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)存在相功率不均衡的问题,常规的基于直流环流注入的调控方法会引起桥臂电流不对称,导致各相电流应力不相等;而基于零序电压注入的方法可能导致系统过调制,危害系统安全稳定运行。针对传统相功率均衡控制策略的局限性,提出一种交流电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略。首先,分析基于零序电压和直流环流注入的MMC相间功率调控原理,指出不同方法单独进行相间功率均衡的局限性。其次,研究零序电压注入方法的过调制边界,引入相功率分配系数,给出不同故障下相功率系数优化方法,提出基于零序电压和直流环流注入协调的MMC自适应相功率均衡控制策略。最后,通过仿真验证了机理分析与所提控制策略的正确性和有效性。     

海上风电低频输电系统低频侧不对称故障控制策略

低频海底电缆发生不对称故障时存在模块化多电平矩阵换流器(M3C)功率器件电流越限、非故障相过电压风险,严重影响海上风电低频输电系统(LFTS)的安全运行。针对上述问题,在充分发挥M3C高可控性的基础上,提出了一种适用于海底电缆不对称故障的控制策略：根据故障严重程度动态调整M3C低频侧电压,防止非故障相过电压;各子换流器通过抑制负序电流限制短路电流上升,保护功率器件免受过电流危害;计及控制策略的影响,通过建立系统故障等值模型进行故障分析。在PSCAD/EMTDC中搭建了海上风电LFTS模型,仿真结果验证了所提控制策略和故障分析方法的有效性,其能够实现低频侧不对称故障下系统的稳定运行。     

MMC子模块故障下桥臂不对称运行特性分析与故障容错控制

针对基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC),研究子模块故障发生后,桥臂子模块实际运行个数不对称情况下的运行特性,揭示其造成上、下桥臂电容电压基值不对称、各次不对称环流、直流电流波动、交直流侧电压偏置、各桥臂电流直流分量不对称等故障机理。基于平衡上、下桥臂基频电压分量的思想,提出一种具有子模块故障容错能力的环流抑制控制器,其通过在传统二倍频比例谐振环流控制的基础上引入基频谐振控制器,以解决不对称桥臂引起的一系列不平衡问题。基于 PSCAD/ EMTDC搭建双端201电平MMC-HVDC系统,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

交流电压不对称下柔性直流配网换流站功率传输极限研究

为了维持直流配网中直流电压的稳定,需要换流器在交流电压不对称时消除传输功率的二倍频波动。分析了交流电压不对称下换流器的不平衡控制策略。由于换流器过流能力限制,换流站的传输功率极限受不对称电压影响,推导了交流侧传输功率极限解析式。针对直流侧功率极限解析式难以求得的问题,提出了直流侧功率极限的数值计算方法。最后通过电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对交流电网不对称下换流器传输功率极限进行了验证。功率极限值的给定,为合理分配多端直流配电网各端的功率,维持直流电压稳定提供了参考。     

海上多端直流输电系统协调控制研究

为了避免多端直流输电系统(multi-terminal DC,MTDC)对各换流站之间高速通信的要求,实现各换流站间的自主协调控制,基于电压源型换流器的电压?电流特性和故障时减少风功率注入的思想,提出了种应用于大规模海上风电场功率远距离外送的多端直流输电系统协调控制策略。在多端直流输电系统正常运行时,网侧换流器不仅可以控制直流电压的稳定,而且可灵活对电网进行风电功率传输。在多端直流输电系统故障运行时,风场侧换流器来保持直流电压的稳定和协调风场间各风机出力。后,搭建了Matlab/Simulink仿真模型,针对所提出控制策略的动态性能进行了仿真验证,结果表明所提控制策略能够保持直流电压在交直流故障等大扰动下相对稳定,维持系统正常运行。