模块化多电平换流器启停控制策略

为了平稳快速地启停模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter MMC),提出了可应用于有源或无源网络的MMC启停控制策略。启动控制策略和停机控制策略均可分为不可控和可控两个阶段,其中可控阶段可进一步分为直流电压可控和功率可控阶段。在不可控阶段,修正了启动过程的限流电阻参数,提出了停机过程的放电电阻选取原则。在直流电压可控阶段,采用子模块电容电压、投切数与直流电压协调控制方法,计算出启动时的直流电压跌落值和停机时的能量反馈比。在功率可控阶段,根据MMC应用于有源和无源网络控制策略的不同,提出了相应的策略。最后基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了所提启停控制策略的有效性和正确性。     

适用于风电并网的模块化多电平柔性直流启动控制技术

详细讨论了适用于风电并网的模块化多电平柔性直流输电系统启动控制策略。启动控制的核心在于子模块电容充电,可分为不控整流和高频整流两个阶段。针对不控整流阶段,基于其数学模型给出了限流电阻选型依据以抑制风电场侧换流器在启动及控制系统解锁瞬间的冲击电流。针对高频整流阶段,提出了基于直流电压斜率控制的充电策略以避免系统侧换流器输出过流。所设计的两个换流器启动顺序控制流程在仿真平台得到了验证。     

基于面积等效法的模块化多电平换流器损耗分析

基于模块化多电平换流器的直流输电(modularmultilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)阀的损耗研究目前还没有。由于MMC阀拓扑的特殊性,传统晶闸管和绝缘栅双极晶体管串联阀换流器的损耗计算方法均不能直接应用,文章结合其子模块特有的半导体器件的开关特性,分析了MMC子模块投入和切除的具体物理过程;结合换流器拓扑结构和面积等效调制算法,推导了典型工况下MMC阀的损耗与阀电压、电流、调制算法的关系,为MMC-HVDC输电系统的降损设计提供了依据。     

光伏汇集系统经过混合型MMC并网优化启停控制策略

针对光伏直流升压汇集并网系统,基于半桥全桥混合型模块化多电平换流器(MMC),分析了系统预充电启动过程及停机过程。启动过程中,不控充电阶段半桥子模块及全桥子模块电压不能同步上升,且直流母线电压过低,分析了其原因并且给出了软启动方案。停机过程中,采用MMC系统的传统分组放电策略,放电初始时刻及放电组别切换时刻会产生较大的冲击电流。提出了停机过程中加入能量分配阶段,可大幅度降低直流母线电压值,从而可降低放电电阻值和耐压等级。放电阶段采用了均衡放电策略,配合能量分配阶段,有效抑制了上述冲击电流。最后,通过MATLAB/Simulink搭建了基于混合型MMC的光伏直流升压汇集系统,验证了系统启停控制策略的有效性。     

基于混合直流换流器的海上风电送出系统的启动策略

混合型直流换流器由全控辅助换流器与二极管整流器并联构成,相比传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC),所需子模块数目大量减少,用于海上直流输电时的经济性显著上升,但目前针对该混合换流器的预充电尚无研究。为此,提出了混合直流换流器的启动策略。首先将混合换流器的启动分为不控充电与可控充电2个阶段,针对不控充电阶段分析了子模块电容电压之间的关系,并给出了限流电阻的计算方法。针对可控充电阶段,提出了2种不同的预充电方案。第1种方案依托于参数设计,方案简单有效,但降低了拓扑的模块性,提高了应用成本。第2种方案依托于环流控制,可以不用降低拓扑的模块性,但流程更加复杂,充电速度较慢。最后在MATLAB/Simulink中构建了混合换流器模型进行仿真,仿真结果验证了启动策略的有效性。     

MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)是电压源换流器型直流输电领域的一种新型拓扑,与传统的两电平存在一定的不同,因而对其建模及控制策略进行研究,有重要的意义。论文介绍了MMC的拓扑结构及工作原理。在考虑桥臂电抗的基础上,推导出模块化多电平换流器型直流输电MMC-HVDC(modular multilevel converter-high voltage direct current)的数学模型,进一步得到MMC-HVDC的简化电路图。在PSCAD/EMTDC下搭建了21电平MMC-HVDC系统,在dq同步旋转坐标系下,采用前馈解耦控制策略进行仿真研究,仿真结果验证了该数学模型的正确性和控制策略的有效性。     

计及直流侧大电感的MMC建模与控制

在直流侧串联限流电抗器的模块化多电平换流器高压直流输电系统中,对于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)其直流侧存在一个等效大电感,传统的控制策略不能满足暂态过程中MMC直流侧电流和子模块电容电压的动态需求。针对这个问题,文章提出一种MMC内外部电流解耦控制和子模块电容能量分层平衡控制的新型控制策略。该方法将MMC桥臂电流分解成直流侧电流、交流侧电流和相间环流,实现MMC内外部电流的解耦独立控制,通过控制MMC的直流侧电流、相间环流的直流分量和正负序基频分量完成对子模块电容能量的分层平衡控制。在Matlab/Simulink仿真软件中构建计及直流侧大电感的MMC仿真模型,并进行验证。仿真结果表明,当MMC直流侧包含大电感时,所提改进建模和控制方法能显著提高其直流侧电流和子模块电容能量的暂态性能。     

基于电压向量合成的模块化多电平换流器控制策略

介绍了模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的拓扑结构与工作原理,提出一种基于电压向量合成的模块化多电平换流器型高压直流输电（modular multi-level converter based high voltage direct current,MMC-HVDC）控制方法.传统的模块化多电平换流器控制方法子模块投切频率高,相应的开关损耗也高.设计的电压向量合成控制法可以实现子模块工频开关投切,极大地降低了模块开关损耗.同时还针对该控制方法设计了模块均压控制策略和换流器闭环控制系统,在模块工频投切的同时模块电压也能得到良好的均压控制.仿真结果表明所设计的控制系统模块开关频率低,电压波动范围小,实现了功率的闭环控制,具备很好的理论研究价值和工程应用价值.     

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。     

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。     

考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法

为了保证模块化多电平换流器(MMC)不闭锁退出运行,需要限制直流短路电流的上升速度。MMC的主动限流控制能够通过减少电容放电时间实现短路电流的限制,并且不产生额外成本,是一种新型限流方案。目前的直流短路电流计算方法无法体现MMC主动限流控制带来的故障电路结构和参数变化。文中提出一种考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法。通过引入电容放电状态占空比参数来体现主动限流控制对直流短路电流的影响,基于状态空间平均法建立直流短路电流的状态方程,给出直流短路电流的时域解析表达式。基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提计算方法的有效性。     

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。     

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。     

采用模块化多电平换流器的统一电能质量控制器预充电控制

基于模块化多电平换流器的统一电能质量控制器(MMC-UPQC)是一种可应用于中、高压配电网的电能质量综合治理装置。在保证设备安全情况下完成装置的预充电过程是装置正常工作的前提,文中对预充电过程3个阶段(不控整流阶段、串联部分子模块电压提升阶段以及可控整流阶段)进行了数学建模与分析,认为在不控整流阶段,各相桥臂子模块中与子模块直流电容并联的反并联二极管将耐受最大冲击电流;在串联部分子模块电压提升阶段,限流电阻仍是限制冲击电流的主导因素,且该阶段所能产生的冲击电流要小于不控整流阶段。由此提出了MMC-UPQC的预充电控制策略,并通过数字仿真和低压物理样机对所提策略的有效性和可行性进行了验证。     

基于线性最优的MMC子模块电容电压均衡控制策略

为进一步优化模块化多电平换流器(MMC)子模块控制策略,尤其是能够兼顾子模块电容电压波动、桥臂环流二次谐波含量、子模块绝缘栅双极型晶体管(IGBT)投切次数和算法计算量四方面的性能,提出一种基于线性最优解的MMC子模块电容电压均衡控制策略。首先,阐述了子模块电容电压波动和子模块IGBT投切次数之间的相悖性,通过理论分析证明子模块电容电压波动与桥臂环流二次谐波含量之间也存在非线性关系,需寻找适当算法使其三者同时达到最优情况。然后,针对此目标,对传统算法进行优化,增加附加调节子模块功能,并结合子模块电容电压均衡控制策略,详细阐述了所述算法的控制流程及其优越性。最后,通过动模试验对传统控制策略、子模块电容电压均衡控制策略、所提控制策略及其他采用不同数量的附加调节子模块的控制策略进行对比。试验数据表明,所提策略可以在子模块电压波动、桥臂环流中的二次谐波含量和子模块IGBT投切次数三方面达到线性最优。     

不平衡电网电压下的MMC子模块电压波动抑制方法

为降低模块化多电平换流器(MMC)对子模块电容的需求,有必要抑制子模块的电容电压波动。电网三相电压不平衡情况发生时,会加剧MMC中子模块的电容电压波动。首先分析了电网电压不平衡时MMC子模块电容电压的波动特性,进一步分析了三次谐波注入对子模块电压波动的影响;重新设计了三次谐波电压注入的幅值和相角,使其能在不平衡工况下有效实现降低电压波动的目标;设计了相应的波动抑制策略;最后,在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真,验证了所提注入方案的有效性。     

基于MMC的柔性直流输电电容电压波动抑制方法

经过分析模块化多电平换流器上下桥臂电流成分以及子模块电容电压波动特性,计算桥臂子模块电容2倍频电流,提出了一种抑制柔性直流输电电容电压波动的方法。该方法通过向桥臂中注入2倍频电流来抑制电容电压波动。设计了2倍频谐波注入控制器,通过控制桥臂中2倍频环流的大小来达到最优化减小子模块电容电压波动。通过PSCAD仿真比较了环流抑制为零和注入二次谐波情况下的电容电压波动大小,并对电容电压波动进行了谐波分析,验证了所提出方法的正确有效性。     

基于混合式MMC的混合高压直流输电系统启动策略

针对与有源系统相联的混合直流输电系统,以全桥子模块和半桥子模块混合的模块化多电平换流器(MMC)为例,详细分析了其预充电启动过程,给出了每个阶段直流电压的一般数学表达式,从数学上证明了其与半桥子模块或全桥子模块构成的MMC的内在联系。分析了基于全桥子模块和半桥子模块混合的MMC在不同混合比例下其预充电过程中可能存在的过压或欠压问题,提出了5种解决措施。同时就混合直流输电系统运用于向无源系统供电和作为"黑启动"电源的应用场合,分析了其预充电启动过程,并提出了具体实现方法。最后通过PSCAD/EMTDC对相关分析进行了仿真验证。