交流系统不平衡对MMC-HVDC运行影响分析及其保护控制

交流系统不平衡会引起模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)输出功率的波动与输出电流的不平衡,同时也会导致基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converter-high voltage direct current transmission,M M C-HVDC)系统内部桥臂电流与子模块电压出现更大的波动,危及变流器的安全运行。文章分析了交流系统不平衡度以及控制参数对MMC桥臂电流与子模块电压的影响,构建了不平衡分量、控制参数与桥臂电流、子模块电压的三维函数。进而通过一次拟合的方式,得到了不同跌落程度下使桥臂电流峰值最小的控制参数值,最大程度地保证了MMC运行的安全稳定。最后搭建了静止坐标系下MMC控制系统,仿真验证了理论分析的正确性。     

基于MMC的直流电网分层能量平衡控制

直流电网的瞬时能量平衡控制是其安全稳定运行的关键。当前,研究人员在进行直流电网的能量平衡控制策略设计时,重点关注了换流器之间的功率平衡控制,而忽视了换流器内部的瞬态能量平衡控制,因此无法满足直流系统暂稳态能量在较小时间尺度上进行平衡调控的要求。以基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流电网为研究对象,重点对MMC的内部瞬态能量平衡控制进行了研究。首先,从MMC桥臂瞬时功率转移出发,对MMC的换流过程进行了分析;然后,以不同换流回路瞬态能量平衡为控制目标,分别提出了基于子模块电容能量平均值反馈控制和波动值预估控制策略;最后,通过PSCAD电磁暂态仿真,验证了所提出方法的有效性。     

不平衡电网下模块化多电平换流器的直流环流均衡策略

不平衡电网下模块化多电平换流器（MMC）存在三相直流环流不均衡问题,易导致相间电流应力和热应力差异,降低其在不平衡工况下安全运行能力。该文从桥臂功率角度分析不平衡电网下三相MMC直流环流不均衡现象和基于零序电压注入的直流环流均衡机理。提出一种零序电压注入的直流环流均衡方法,通过网侧电流与直流环流偏差量计算得到零序电压相位,经过比例谐振控制器生成零序电压注入量,进而实现直流环流的快速、有效均衡。在所提出的控制策略的基础上,研究该方法对MMC桥臂电流峰值、有效值及子模块电容电压纹波的影响规律。仿真与实验结果验证了该文理论分析与控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器桥臂电流直接控制方案

通过分析模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构,提出一种MMC桥臂电流直接控制方案,该方案对MMC上/下桥臂电流实施独立控制。建立了MMC系统小信号传递函数模型,对桥臂电流反馈控制策略进行了分析与设计。以MMC并网逆变器为例,结合多层次电容电压平衡控制策略,得到了基于桥臂电流内环控制的MMC综合控制方案,以实现网侧电流控制及电容电压平衡控制。仿真结果表明,所提出的MMC桥臂电流直接控制方案具有优良的动静态特性,并能有效抑制三相内部环流,验证了该方案的可行性和有效性。     

模块化多电平换流器桥臂电流直接控制方案

通过分析模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构,提出一种MMC桥臂电流直接控制方案,该方案对MMC上/下桥臂电流实施独立控制.建立了MMC系统小信号传递函数模型,对桥臂电流反馈控制策略进行了分析与设计.以MMC并网逆变器为例,结合多层次电容电压平衡控制策略,得到了基于桥臂电流内环控制的MMC综合控制方案,以实现网侧电流控制及电容电压平衡控制.仿真结果表明,所提出的MMC桥臂电流直接控制方案具有优良的动静态特性,并能有效抑制三相内部环流,验证了该方案的可行性和有效性.     

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。     

三相电网不平衡下MMC多变量保护控制策略及系统运行性能研究

对于模块化多电平变流器(multi-modular converter,MMC)变换器,电网不平衡不仅会导致变流器网侧电流波形质量变差、系统瞬时有功功率和无功功率纹波增加,还会引起桥臂环流增加、桥臂电压以及上下桥臂中点电位的不平衡问题。该文分析了灵活的多变量保护控制策略控制参数k对系统的影响,并给出了参数k和交流网侧电流质量、桥臂电流、桥臂电压纹波以及上下桥臂电容电压差多个控制变量的关系式。文中首先描述了MMC系统电流方程、电压方程以及能量的动态方程。基于上述系统方程,重点分析了多变量保护控制算法控制参数k对MMC运行状态的影响。为避免过电压或过电流问题估算出电网故障时系统传输的最大有功功率。最后利用实时仿真平台对该方法及理论分析进行了仿真验证。针对4组控制参数k进行仿真,其结果和理论分析一致。     

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。     

模块化多电平换流器子模块级联数量优化设计方法

针对模块化多电平换流器(MMC)直流电压等级可能会与交流侧电网电压等级不匹配的问题,提出了一种桥臂级联子模块数量的优化设计方法.通过该方法,可以在换流器直流侧电压和交流侧电压不匹配时直接将换流器接入较低电压等级的交流电网,减少桥臂所需的子模块级联数目,同时避免使用交流变压器,以降低换流站成本和占地.通过设计实例说明了所述方法所带来的优势,并通过PSCAD/EMTDC仿真验证了采用所提出优化设计方法时的MMC在调制方法和电压平衡控制策略上的可行性.     

电网不平衡下MMC多变量保护控制器参数设计研究

电网不平衡不仅会导致模块化多电平变流器(multimodular converter,MMC)网侧电流波形质量变差,还会引起桥臂电压不平衡、桥臂环流增加等一系列问题。为避免MMC系统发生过电压或过电流的安全问题,考虑交流侧最大工作电流、桥臂最大电容电压纹波以及最大注入无功三个方面的工作条件限制,分别从理论角度推导出多变量保护控制算法下控制参数k的计算公式。首先分析了MMC系统电流方程、电压方程以及能量的动态方程。基于上述系统方程,考虑MMC系统允许的工作范围如交流侧最大工作电流、桥臂最大电容电压纹波以及最大注入无功三个方面,详细给出了参数k的设计原则和流程。最后,利用实时仿真平台和MMC样机对理论计算给出了仿真和实验验证结果。     

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。     

新型模块化多电平换流器的设计与应用

随着电力系统电压等级的不断升高,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)桥臂中串联的子模块数量增多,硬件成本升高,制约了其在直流输电系统中的发展.针对这些问题,通过分析多电平换流器和现有的阶调式模块化多电平变换器(Gradationally Controlled Modular Multilevel Converter,GC-MMC)的工作原理,提出了一种新型的换流器.为了解决新型逆变器的电容电压平衡问题,提出了一种适用于新型逆变器的新型稳压算法.最后在Matlab/Simulink环境下搭建了双端标幺值控制的柔性直流输电系统,将新型逆变器应用于系统中进行了验证.仿真结果表明,新型换流器输出电平数量比普通MMC多,输出交流侧和直流侧的波形质量达到直流输电要求.通过对新型逆变器和普通MMC分别进行成本计算,结果表明新型逆变器的建设成本大大少于普通MMC.     

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。     

不平衡电网电压下抑制MMC子模块过电压的调制比设计方法

模块化多电平换流器(MMC)在调制比为1.414的稳态运行条件下,子模块电容电压波动的基频分量将被抑制到0;但在电网电压不平衡时基频分量会变大,导致子模块电容电压波动显著增加。为抑制电网电压不平衡时的电容电压波动,基于桥臂功率分析了稳态和电网电压不平衡条件下子模块的电压波动特性,提出了一种适用于混合型MMC的调制比设计方法,该方法以桥臂瞬时功率的基频分量为抑制目标,综合考虑了不平衡电网电压下的三相子模块电压波动特性,通过改变直流电压指令值从而改变运行调制比,避免了故障时子模块发生过电压的情况。在PSCAD中搭建混合型MMC模型,通过对3种电网电压不平衡工况进行仿真分析,验证了所提方法的有效性。     

电网电压不平衡下MMC的无源控制策略

提出了电网电压不平衡条件下模块化多电平换流器(MMC)的无源控制方法,其能很好地解决电网电压不平衡条件下MMC存在的交流侧三相电流不对称、有功功率出现二次脉动、无功功率出现二次脉动的问题。根据MMC的拓扑结构,建立MMC在电网电压不平衡条件下的数学模型,分析MMC在电网电压不平衡条件下的内部特性,并在此基础上设计电网电压不平衡条件下的环流控制策略。基于存储函数的无源控制理论,针对上述3个不同的控制目标,制定相应的非线性无源控制策略。     

MMC柔性直流输电系统网侧故障时紧急功率支援控制

为了解决MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter Based on HVDC,MMC-HVDC)交流侧系统故障时的过流问题,以及增强MMC换流器的低压穿越能力,通过对换流器功率数学模型及控制方式进行分析,发现了换流器有功和无功功率解耦的PI控制方式。提出了当交流侧发生对称和不对称故障时,通过控制PI值限制功率输出,同时由交流电压偏差有效值生成正负序补偿电流的紧急功率支援控制策略。将这种控制策略添加到电磁暂态仿真系统当中,当系统网侧发生对称或不对称故障时,利用数值仿真技术分析了换流器阀侧的电能质量。仿真结果验证了所提出的控制方法对故障时过流抑制的有效性,同时增强了换流器的低压穿越能力。     

电网不平衡工况下模块化多电平矩阵变换器控制策略

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)是一种可直接实现交交功率变换的新型高压大功率拓扑,在低频输电、大功率异步电机调速及低频海上风电送出等领域具有应用前景。由于2种频率的功率耦合作用,M3C桥臂电容电压在电网电压不对称时容易失稳。为此,文中首先对不平衡输入工况下M3C桥臂功率进行了计算,推导并总结了2种不同功率平衡方法下桥臂间的功率分配规律。在此基础上,研究低频环流对桥臂功率的影响,在保证系统总有功功率平衡的前提下,提出基于低频环流的M3C桥臂电容电压平衡控制策略,避免了网侧负序电流的引入;在不平衡工况下,通过桥臂电容电压闭环控制和功率直接补偿实现电容电压的快速平衡。所构造的低频环流仅在换流器内部流动,不影响M3C输入输出侧的解耦运行。最后在MATLAB中搭建了220 kV/400 MW M3C系统模型,验证了所提控制策略的有效性。     

MMC柔性直流换流站无功级联控制策略

模块化多电平换流器(MMC)可独立解耦调节有功、无功功率,使得柔性直流换流站具有在交流系统电压跌落工况下提供无功支撑的潜能。提出了MMC柔性直流换流站无功级联的控制策略,即将定交流电压控制和定无功控制级联,其中定交流电压控制包括桥臂电流辅助控制环节,并在故障清除后瞬间进行积分环节清零重置控制。以中国张北±500 kV四端柔性直流电网工程为例进行了仿真验证,结果表明相对于传统的定无功或定交流电压控制方式,柔性直流换流站无功级联控制方式可以兼顾电网稳态无功调节和暂态无功支撑等需求,快速平稳地输出无功功率,能在保证MMC设备安全的前提下提供暂态无功支撑,并缓解故障清除瞬间可能发生的暂态交流过电压。     

柔性直流输电系统MMC换流阀闭环充电策略

随着柔性直流输电系统的快速发展与广泛应用,其启动工况愈发具有多样性,MMC换流阀传统开环充电策略需要综合考虑系统状态变量进行参数配置,且配置难度大。由此提出了通用性的换流阀闭环充电控制策略,无需检测系统状态即能将子模块稳态电压控制在额定值,具有较好的适应性。首先,分析了柔性直流输电系统的三类充电回路及主动均压充电策略。其次,基于子模块特性不一致的均压需求分析,提出了完整的通用性闭环充电策略及对应的柔性直流输电系统的协调启动策略。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了三端直流电网模型,仿真验证了闭环充电策略。结果表明闭合充电策略通用于各类换流站的启动充电过程,且可将子模块电压平稳充电至额定值,同时不存在桥臂过流及子模块过压等现象。