基于混合调制策略的MMC-UPFC谐波特性改善研究

统一潮流控制器在提升电网输电能力,提高电力系统稳定性方面展现出了当今柔性交流输电领域的最高水平。南京220kV UPFC工程自建成投运以来,有效解决了西环网南北通道潮流分配不均的问题。不足之处在于,当串联补偿电压较低时,输出电压将含有较大的谐波成分,影响系统电压质量。本文通过研究不同调制比下MMC-UPFC的谐波特性,基于最近电平逼近调制与引入虚拟循环映射的载波层叠调制提出一种新型的双阈值混合调制策略,用于改善MMC-UPFC在低调制比下的谐波特性。结合南京西环网UPFC实际工程参数,从理论和仿真分析两方面验证了所提出混合调制策略的适用性和有效性。     

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。     

低电容用量高纹波MMC的三次谐波电压注入方法

针对高纹波模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)在感性工况下输出电压能力和功率能力受限问题,对基于三次谐波电压注入的高纹波MMC进行了研究.考虑了MMC电容电压波动的影响,对三次谐波电压注入下MMC电压的输出能力进行了分析,揭示了在不同运行工况下三次谐波注入对MMC最大调制比的提高能力不同.基于感性工况下的调制比可提高程度大于容性工况的特性,提出了高纹波MMC的三次谐波电压注入方法,可弥补感性工况下高纹波运行方式导致的输出电压和无功能力的缺失,将高纹波MMC的输出功率范围扩展到与常规MMC接近,克服了高纹波MMC感性无功输出能力严重受限问题.仿真结果验证了所提方法的有效性.     

不同结构电压源换流器损耗对比分析

IGBT直接串联两电平电压源换流器（2Level-VSC）和模块化多电平换流器（MMC）是目前比较主流的两种柔性直流输电换流器结构,其外特性相似,但损耗特性不同,从而影响两种换流器的经济性和适用场合。基于器件厂商提供的器件特性参数,提出了适用于两种换流器的损耗计算模型。在分析典型调制方式下两种换流器中各器件的工作状态的基础上,详细分析了两者的损耗计算方法,最后通过算例对2Level-VSC和MMC的损耗特性进行了定量的对比分析,结果表明相同工况下两种换流器的损耗特性不同,且各工况下MMC的损耗率低于两电平换流器。     

“基于MMC的柔性输电技术”专题征稿启事

<正>模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)技术的出现,大大降低了电压源换流器的制造难度和损耗,为电网一次系统的柔性化铺平了道路。目前,MMC技术已应用于柔性直流输电和柔性交流输电,我国已建成或正在建设的基于MMC的柔性输电工程包括两端(含背靠背)和多端柔性直流输电系统、大容量静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)以及统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)等。可以预见,柔性输电技术将应用于     

南京西环网串联侧换流器谐波特征分析

分析了采用模块化多电平换流器(MMC)结构的统一潮流控制器(UPFC)的谐波特性,推导了MMC子模块电压波动与网侧输出电压谐波之间的关系。分析表明,电容电压的2次谐波波动频率与换流器输出电压的3次谐波分量密切相关。结合UPFC现场测试数据,分析对比UPFC运行前后串联线路的零序分量变化规律,线路中3次谐波分量大小可为串联变压器性能的评价提供参考依据。     

海上风电柔直系统送端电网故障过电压机理分析及抑制策略

为应对送端交流电网故障时的过电压问题,分析了风场-柔性直流输电系统送端交流电网故障过电压产生机理,并提出了过电压抑制策略。首先,建立了不同电网故障下换流变压器网侧及阀侧电压的数学模型,研究了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)控制策略对于电网电压的影响机理,及电网过电压导致MMC出现的过调制问题对于系统控制性能的影响;在此基础上,提出了一种过电压抑制策略,能够在不引入负序电流的条件下有效抑制系统的过电压水平,且能够在故障线路切除后加快电网电压的恢复速度;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台构建了风场-柔性直流输电系统模型并进行了仿真研究。研究结果表明:所提出的送端交流电网电压数学模型能够准确反映系统的故障特性,所提出的过电压抑制策略能够实现预期控制效果,有利于系统在故障发生及恢复过程中的稳定运行。     

向无源电网供电的MMC-HVDC稳态运行区域分析

柔性直流输电能够为无源电网供电,连接无源电网时,MMC功率传输极限有待深入研究。基于开关函数推导了dq旋转坐标系下的MMC详细解析模型,定量分析调制信号、桥臂电流、子模块电容电压波动和自身容量限制等约束条件对换流器输送功率极限的影响。研究表明换流器的功率输送主要受最大调制比和电容电压最大允许波动约束,而且子模块电容过小会明显降低MMC功率输送极限。投入环流控制器可使MMC较大程度地摆脱子模块电容电压的限制,提高为无源电网供电的能力。最后在PSCAD/EMTDC上仿真验证了稳态运行区域计算方法的有效性。     

多端柔性直流输电系统谐波特性及交互机理分析

为分析基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)的谐波特性及交互机理,首先引入平均开关函数的概念,建立了MMC详细时域模型,忽略内部动态特性得到MMC简化模型,从而得到MMC-MTDC的等值电路以及各换流器直流侧谐波电流对各换流器直流端口电压谐波的传递函数。随后,定义MMC交流侧电流和直流侧电压电流的各阶动态相量为状态变量,将MMC时域模型转化为序分量动态相量谐波分析模型,得到MMC特征谐波分布特性及交直流侧谐波传递机理。通过描绘换流器直流侧谐波电流对各换流器直流端口电压谐波传递函数的频率特性曲线,分析了MMC-MTDC的谐振特性以及谐波在不同换流器间的交互机理。最后,在MATLAB/Simulink中的仿真验证了谐波特性及交互机理分析的正确性,分析结果可为谐波抑制策略的提出提供理论支撑。     

基于电压源换流器型直流输电拓扑结构和调制策略

作为新一代直流输电技术,基于电压源换流器型直流输电由于采用全控电力电子器件,能够灵活实现有功功率和无功功率的独立控制,动态补偿交流母线无功功率进而实现交流电压控制,因此在新能源并网和交流电网互联等方面越来越显示出其独特的优势。而换流器作为直流输电系统中的核心部件,其不同的拓扑结构和调制方式会对换流器的输出性能带有一定的影响。以ABB公司和Siemens公司所提出的拓扑结构为例,对比分析了电压源换流器型直流输电两电平和模块化多电平的拓扑结构以及优缺点,并通过仿真分析了载波移相和最近电平逼近调制策略对输出电压电流波形的影响以及ABB公司CTL拓扑结构在环流抑制上的优越特性。     

模块化多电平换流器的主动谐波谐振抑制策略

联接云南电网与南方电网主网的鲁西背靠背直流异步联网工程异步联网工程投产初期,广西侧送出交流线路受故障影响仅剩一回,随后广西侧母线电压和输出电流中出现了频率为1 270 Hz的谐波分量,引起柔性直流单元换流变压器分接开关频繁动作,最终导致柔性直流单元跳闸。首先,从鲁西背靠背直流异步联网工程高频谐振事件入手,分析大容量模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)与交流系统的谐振机理;接着,给出了MMC谐波阻抗的计算方法,利用阻抗分析法分析了高频谐振的条件,并提出MMC的控制结构改进方法,有效抑制了其输出电流的高频谐波分量;最后,通过PSCAD/EMTDC仿真对谐振事故现象进行了复现,证明了所提抑制策略可以实现对高频谐波谐振的有效抑制。     

银川东750kV换流变电站背景谐波测量及计算

宁夏-山东直流联网工程额定输电功率4000MW,该工程使华北、西北两大电网直接相连,这样一个容量巨大、结构复杂的交直流混合电网,其背景谐波问题不仅是换流站交流滤波器研究设计中必须重点考虑的问题,也是系统中其它主设备研究设计中必须慎重对待的问题。因此,研究宁夏电网背景谐波及进行银川东换流变电站交流背景谐波潮流计算具有重要意义,本文重点论述了银川东换流变电站交流330kV侧的背景谐波概况。     

基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的设计

传统基于电压源换流器（voltage source controller,VSC）的统一潮流控制器（unified power flow controller,UPFC）开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低,同时在运行过程中也有遭受短路故障的可能性和风险,特别是在大容量高电压的场合下,极易造成器件的损坏。将模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）引入UPFC中,同时改进MMC的控制策略以适应所提拓扑的要求,同时由于MMC的引入,短路故障的风险进一步加大,因此在MMC-UPFC的基础上设计了限流模块,该限流模块能在系统短路故障下有效地抑制短路电流,且该限流器在正常工作情况下并不会给线路增加负担。整个UPFC的拓扑具有模块化程度高、谐波小、容量扩展、短路快速限流等特点,该文所设计的拓扑增加了系统的可靠性、安全性和经济性。     

低电平MMC-HVDC样机滤波装置设计

为了确保低电平模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)样机注入公共电网的谐波含量符合现有的电能质量标准条例,对其进行配套的滤波装置设计是必要的.文章根据MMC拓扑结构特点,推导出了MMC的等值电路,并将MMC看成一个有多种谐波的谐波电压源,从而设计了MMC交流侧谐波的等效电路.在此基础上,结合MMC-HVDC的调...     

500 kV统一潮流控制器在苏州南部电网的工程应用

报道了500 kV统一潮流控制器（unified power flow controller,UPFC）示范工程在苏州南部电网的应用情况,工程于2017年年底建成投产,建成后将成为世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程。首先介绍了苏州南部500 kV电网发展概况和存在的问题,分析了利用常规解决措施（线路导线增容、新增输电通道）解决上述问题时遇到的困难。然后给出了利用UPFC解决苏州南部500kV电网中存在问题的方案,详细论述了在苏州南部500kV电网应用UPFC的接入方案、接入效果、工程实施难度和投资成本。最后通过技术经济比较,分析了苏州南部UPFC示范工程的经济效益和社会效益。分析结果显示,示范工程投运后可以有效缓解苏州南部电网中存在的直流小方式下供电能力受限、无功支撑不足、直流换相失败风险大及直流双极闭锁后应急拉限电多等问题,同时较常规解决措施具有较好的经济性和较小的实施难度。苏州南部UPFC工程对在更高电压等级上应用UPFC技术能起到积极的示范作用。     

模块化多电平换流器电容用量的标幺化分析与设计方法

子模块电容用量是影响模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)体积和成本的关键因素。提出了以单位容量额定储能值作为MMC电容用量的统一的衡量与直接设计指标,建立了直接描述MMC所需额定储能值与电容电压波动率之间关系的标幺化计算模型,使不同额定参数MMC的电容用量的衡量、计算和分析可以得到统一和简化。与以子模块电容值作为分析和设计指标的传统方法相比,MMC额定储能值标幺化计算模型去除了多种参数对计算过程的影响,揭示了基准调制比和输出功率范围是影响MMC额定储能值的关键因素。基于所提出的额定储能值标幺化计算模型,对MMC额定储能设计值随基准调制比和功率输出范围的变化规律进行了详细分析,为MMC电容用量的设计和优化提供了明确的依据。数字仿真和物理试验结果验证了所提方法的正确性。     

两电平VSC与MMC通用型平均值仿真模型

提出了两电平电压源型换流器(VSC)与模块化多电平换流器(MMC)的通用型平均值仿真模型。首先总结了两电平VSC与MMC的工作原理,进而理论推导了两者的平均值模型,通过分析两电平VSC与MMC在直流故障下的响应,提出了一种能仿真两电平VSC和MMC直流故障响应的通用建模方法。随后在PSCAD/EMTDC下搭建了一个两电平VSC与21电平MMC的详细电磁暂态仿真模型与平均值模型,对比验证了详细模型与平均值模型在稳态运行、直流故障以及交流故障下的响应。结果表明,所提出的平均值模型能在稳态运行、直流故障以及交流故障下得到与详细模型高度吻合的仿真结果。所提出的平均值模型能极大地提高仿真速度,且提速效果随电平数以及系统规模的增大而愈加明显。所提出的建模方法适用于研究含多个VSC和MMC的较大规模电力系统电磁暂态特性。     

特高压直流接入背景下的UPFC系统级控制策略

为缓解特高压直流馈入受端电网后造成的多个交流输电通道紧张的问题,提高换流站交流母线暂态电压支撑强度和稳态调压能力,首先基于电网络理论推导了统一潮流控制器(UPFC)对输电线路电流、交流母线电压的控制灵敏度,分析了利用UPFC系统级控制功能(线路有功/无功潮流控制以及并联换流器无功功率控制)实现输电线路过载控制和交流母线电压调节的可行性。在此基础上,提出了一套特高压直流接入背景下的UPFC系统级控制策略,以监控系统运行参数并自动生成满足系统安全稳定约束的UPFC系统级控制指令值。最后,以锦苏直流落点附近的苏南500 kV UPFC示范工程作为仿真算例,验证了所提出的控制灵敏度分析的有效性和UPFC系统级控制策略的可行性。     

UPFC串联变压器匝间故障特性分析

串联变压器是统一潮流控制器(UPFC)的核心器件之一,其工作电压通常小于其额定电压。由于串联变压器特殊的运行特性,串联变压器的匝间故障纵差保护灵敏度大为降低。文中分析了UPFC串联型变压器匝间短路时影响差流的相关因素,找到了造成差动保护灵敏度降低的原因。并由此引入电压调整系数,调整差动计算中的变压器二次额定电流计算值。分析了引入电压调整系数后对差动保护的影响;给出了电压调整系数取值时需要注意的问题。最后以实际工程为例建立仿真模型,从保护灵敏度和防误动特性两方面,对所提方法进行了验证。     

模块化多电平换流阀可靠性研究与设计优化

模块化多电平换流阀(modular multi-level converter,MMC)作为统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)系统中的关键设备,其运行的可靠性直接影响到整个系统的安全稳定运行。采用k/n(G)可靠性模型描述方法,清晰地描述了换流阀可靠性与各种冗余度之间的关系,定量计算了500 kV苏南UPFC换流阀的可靠性指标,并对换流阀可靠性进行了优化设计,满足500 kV苏南UPFC工程要求,并为UPFC换流阀冗余度设计和优化提供了参考依据。