模块化多电平变换器专辑——主编评述

<正>随着我国各种大规模可再生能源的开发应用,新能源电站和分布式新能源发电设备广泛接入电网,大容量电力电子变换装置是新能源发电关键部件和新一代电网中的核心接口装备,且已成为大幅提升未来电网输送能力、稳定性、调控能力和电能质量的关键支撑技术。模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)正是一种新兴的大容量电力电子拓扑结构,它采用子模块级联形式,具有损耗低、波形质量好、安装维护容易、可冗余容错、可靠性高等诸多优点,是近年来研究的热点课题。目前MMC已在高压柔性直流输电领域得到了迅猛的发展,并被认为是构建未来直流电网的核心技     

基于Pscad/EMTDC自定义建模的MMC电磁暂态仿真技术

为了精确模拟仿真模块化多电平换流器(MMC)接入电网的暂态特性,需要开展计及MMC结构、特性及控制保护策略的电磁暂态仿真技术研究,以适应新一代电力电子技术在电力系统中应用的研究。本文通过Pscad/EMTDC自定义建模功能实现了MMC及其控制保护功能暂态建模。综合考虑MMC及其控制保护的特点,设计了MMC模型的整体结构,利用Pscad/EMTDC接口C语言实现了自定义元件,并结合模块化建模的方式,构建MMC及其控制保护功能的各个环节,基于此建立了MMC接入电网的电磁暂态仿真模型。利用该模型开展了MMC动态仿真,结果表明,模型能有效模拟MMC控制环节、子模块电容电压等暂态过程。建立的模型便于扩展且能适应不同应用场合,可用于开展基于MMC的柔性交直流输电电磁暂态特性及控制保护功能研究。     

特约主编寄语

<正>电力电子装备在大功率规模化新能源发电和新型高压直流输电、配电网柔性化及装备电力电子化、智能用电和电能替代领域都取得了长足的发展。作为智能电网建设的重要组成部分,先进电力电子装备将在电力系统"发—输—变—配—用"不同环节支撑多样化交直流柔性电网发展,增强电力系统的灵活性,提升供电服务能力     

高比例电力电子电力系统过电压(一)：定义、分类及相关要求

随着新能源发电设备的大量投运和大容量交直流输电工程的相继投产,我国已初步形成高比例电力电子电力系统的基本格局,以过电压为代表的安全问题日渐凸显。然而,高比例电力电子电力系统过电压起因众多、产生机理繁复,对新能源外送及直流输电能力构成了严重制约。为解决上述问题,该文从大电网安全稳定视角出发,首先明确电力系统过电压的基本概念及其分类,分析高比例电力电子电力系统中不同过电压的起因与波形特征。进一步围绕3个实际电网过电压问题较为突出的场景,分析不同场景下过电压产生的原因、各类设备的过电压耐受能力及限制因素,论述传统交流设备过电压及新型电力电子设备在过电压场景中可能存在的安全风险。最后,总结了高比例电力电子电力系统过电压的分析流程,并结合时域仿真算例进行论述说明。     

基于matlab的柔性直流输电系统建模与仿真

随着电力电子技术和控制技术的发展,特别是全控型电力电子器件的发展,出现了一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术——基于电压源换流器的高压直流输电(VoltageSource ConverterbasedHighVoltageDirectCurrentTransmission,VSC-HVDC),也称柔性直流输电。采用该技术可以有效的解决传统交直流输电系统中的一些缺陷,使得电网更加合理。对于柔性直流输电的拓扑结构、仿真建模、和仿真实验的研究将是本篇论文的主要内容。     

新型电力系统的建模仿真关键技术及展望

在实现“碳达峰、碳中和”目标、推动构建以新能源为主体的新型电力系统背景下,高比例新能源并网、高比例电力电子装备将成为未来新型电力系统的主要趋势和突出特征。文中首先概述了新型电力系统的特征,总结了新型电力系统对建模仿真技术提出的迫切需求,分别从建模优化方法、多时间尺度仿真方法和仿真计算加速方法等方面分析了电力系统建模仿真技术的现状和改进方案,同时,描述了面向新型电力系统的仿真新技术和应用新模式。最后,对建模仿真新技术及其应用新模式如何更好地适应新型电力系统构建和运行给出了建议。     

10 kV碳化硅柔性直流功率变换单元设计

碳化硅是目前发展最为成熟的新型宽禁带半导体材料。以典型的±350 kV/1 000 MW柔性直流输电工程为实例,介绍一种基于碳化硅器件的10 kV柔性直流功率变换单元设计方法,包括模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的工作原理、半桥拓扑、功率器件选型、电容器选型、碳化硅驱动电路设计、保护电路设计等内容。采用PLECS软件搭建仿真模型,对基于碳化硅器件和普通硅器件的柔性直流换流阀损耗进行仿真比较,结果表明在柔性直流输电应用场景下使用碳化硅器件代替普通硅器件,可降低整体功率损耗。最后,简单估算了在柔性直流输电工程中使用碳化硅器件带来的经济效益。     

MMC-HVDC输电系统直流故障隔离综述

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)是一种新型的灵活输电方式。同交流输电技术相比,MMC-HVDC输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点。在当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有所用器件少、运行效率高、经济性好等特点,但缺乏直流故障清除能力。本文简单介绍了半桥型MMC发生故障的原因,对目前MMC-HVDC输电系统直流故障隔离技术的国内外研究现状进行综述,并结合当前研究现状,展望了MMC-HVDC输电系统直流故障保护的新的研究方向。     

模块化多电平换流技术及其应用专题特约主编寄语

正交随着可再生能源发电、电力牵引、变频传动以及智能电网等领域的快速发展,电力电子装备的电压与容量等级与日俱增。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其模块化结构、低谐波输出、采用低压器件等优势,特别适于高效率、高压大容量的电能变换。自2002年德国联邦国防大学R.Marquardt等人首次提出MMC结构以来,模块化多电平换流技术已     

基于改进算法的MMC电容电压平衡策略

基于电压源型换流器的高压直流输电采用全控器件IGBT,又称为柔性直流输电,其中模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)技术具有开关频率低、谐波少、方便拓展等特点,现已成为学者广泛关注的热点,对其子模块均压控制则是该技术的关键.通过对MMC结构进行深入分析,提出了一种改进的电...     

525 kV/3000 MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀研制

基于IGCT的柔性直流输电模块化多电平换流阀(MMC)具有低成本、低损耗、高可靠等潜在优势,在未来陆上大规模新能源送出以及深远海风电并网等应用中具有广阔的前景。在对比集成门极换流晶闸管(IGCT)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT)两类功率器件技术性能基础上,介绍了±525 kV/3000 MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀的产品设计。依据IEC 62501标准,完成了IGCT-MMC换流阀产品的第三方见证试验。试验结果表明,所研制的IGCT-MMC换流阀产品技术性能符合设计要求。     

基于FPGA的柔性直流实时仿真技术及试验系统

未来柔性直流输电技术大容量、高电压、远距离的发展趋势,对现有的柔性直流仿真建模技术提出了更高的要求。为了建立更符合控制保护装置测试需求的大容量、高电压、远距离柔性直流实时仿真模型,提出了适用于各种子模块拓扑结构且能灵活定义模块级故障的模块化多电平换流器(MMC)等效建模方法,采用基于现场可编程门阵列(FPGA)技术实现灵活柔性直流换流器算法,通过双向高速通信板卡GTFPGA在实时数字仿真器(RTDS)中实现灵活自定义的柔性直流MMC仿真建模,为未来含新型子模块拓扑结构的大容量、高电压、远距离柔性直流工程的控制保护特性研究及其闭环试验,提供有效的实时仿真试验系统和重要的仿真技术支持。     

考虑电网阻抗耦合的模块化多电平换流器交直流侧阻抗通用计算方法

以模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)为技术路线的柔性直流输电技术在风电接入、电网异步互联等领域迅速发展。MMC的阻抗建模是分析柔性直流输电系统振荡起源的重要依据。文中分析MMC在交、直流侧激励下的谐波传递机制,建立一种适用于交、直流侧阻抗计算的通用方法。对一次系统频域建模关联了MMC所连接的交、直流侧网络阻抗,并考虑包含解耦双同步参考坐标系锁相环及负序内环控制在内的全部控制模块。通过求解线性方程组对MMC阻抗进行计算,并在PSCAD/EMTDC环境中对双端背靠背MMC系统在多种工况下1～5kHz频段内进行扫频,验证该方法的准确性,并详细分析网络阻抗耦合、控制链路延时、功率等级、负序内环和外环控制等因素对MMC阻抗的影响。     

新能源经柔性直流接入电网的控制与保护综述

柔性直流输电技术由于在新能源并网领域的显著优势而成为适合新能源接入电网的电力传输方式,控制与保护系统是新能源通过柔性直流输电系统接入电网安全稳定运行的核心要素。目前关于新能源经柔性直流接入电网的控制与保护还缺乏较为系统的总结与归纳,为此,论文对新能源通过柔性直流输电系统并网的交直流系统协调控制策略、保护区域划分和故障快速清除方案进行综述。首先,基于国内外已投运和在建的典型新能源经柔性直流输电并网工程,对新能源直流并网的系统结构与运行方式等特点进行概述。同时,基于现有学术研究,分析并梳理了国内外在新能源经柔性直流并网的控制方法及保护策略方面的进展。最后,回顾工程应用与学术研究,结合目前中国新能源接入电网的发展趋势,探讨了多端互联网架结构下系统控制方式以及未来发展趋势,并对大规模高渗透率新能源经柔性直流并网下的控制保护技术发展方向进行了展望。     

特约主编寄语

正全球新能源技术快速发展的背景下,分布式能源并网增多、柔性配电装备推广应用、电动车辆充电桩规模化建设、储能技术快速发展,使得配电网的功能从"无源电网"发展为"有源电网",同时配电网也具有了高渗透率电力电子化特征。高比例电力电子配电网中潮流双向流动、设备交互复杂的现状和电力电子变换器的非线性、脆弱性、低短路容量比等特征,挑战了配电网的传统优化运行、故障分析、保护控制等理论及其相关技术应用。     

基于RT-LAB的MMC换流器HVDC输电系统实时仿真

基于RT-LAB实时仿真平台,研究了实时仿真技术在基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统(HVDC)中的应用。建立了基于MMC的柔性直流输电系统的实时仿真模型,并将RT-LAB的实时仿真结果与PSCAD/EMTDC的离线仿真结果进行了对比验证。两种仿真结果在暂态和稳态下都比较一致,这说明通过RT-LAB可以得到MMC高压直流输电系统的正确仿真结果。还对两种仿真方法的仿真时间进行了对比,说明通过RT-LAB的实时仿真可以大幅度提高对MMC换流器的仿真效率。研究结果为采用RT-LAB平台对柔性直流输电系统等大规模电力电子装置实时仿真研究应用提供了参考。     

适用于±500kV/3000MW柔性直流输电换流器的电路拓扑损耗特性研究

电网异步互联和可再生能源装机容量增加的现实需求,推动柔性直流输电系统已经达到3000MW的级别。当前,受功率半导体器件发展水平所限,需要设计组合式模块化多电平换流器(MMC)拓扑实现柔性直流输电系统的扩容。但是,不同组合方式下系统参数设计以及所适用IGBT器件类型差异很大,这对多变量下的组合式换流器损耗特性研究提出了挑战。本文首先提出了一种单台MMC的损耗计算方法,然后推导了组合式MMC的损耗计算解析表达式。在此基础上,对比分析了采用4500V/1500A和4500V/3000A IGBT器件的情况下,四种适用于±500kV/3000MW柔性直流输电换流器的组合式MMC拓扑损耗特性。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,四种拓扑中并联式MMC拓扑的损耗最小,验证了损耗特性分析的正确性。     

基于Marti模型的柔性直流输电系统纵联行波差动保护

柔性直流输电系统越来越多地应用于新能源并网,远距离、大容量电力传输及交流系统异步互联等方面。直流故障的快速、可靠识别是柔性直流输电系统发展亟待解决的问题。该文从线路模型出发,以行波理论和Marti模型为基础,定量分析了故障后模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)闭锁前的故障特征。结合行波保护速动性和纵联差动保护可靠性的特点,提出纵联行波差动保护新原理。该原理满足柔性直流输电系统保护的快速性要求,耐受过渡电阻能力强、抗干扰能力强、易于整定和实现。通过PSCAD/EMTDC大量仿真,验证了该保护原理的适用性。     

“模块化多电平变换器”专辑征文启事

<正>模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种采用模块级联的新型电能变换拓扑结构,具有损耗低、波形质量好、安装维护容易、可靠性高等诸多优点,是近年来研究的热点课题,并在高压柔性直流输电领域中得到了迅猛的发展。同时,模块化多电平变换器在诸如高压变频调速等其他中高压大功率领域中也有着广泛的应用前景。     

基于RT-LAB的机电-电磁暂态混合实时仿真及其在MMC-HVDC中的应用

模块化多电平柔性直流输电系统含有数千个微秒级控制周期的高速开关器件,现有机电和电磁仿真均无法同时兼顾详细的换流器内部物理特性及其接入交流大电网后与交流系统的交互特性。基于RT-LAB平台下新开发的机电—电磁混合仿真接口程序,首次提出百MW模块化多电平柔性直流系统接入交流大电网的混合实时仿真模型;为验证建模方法的正确性,在电磁侧开发模块化多电平柔性直流输电系统(modular multi-level converter HVDC,MMC-HVDC)系统详细电磁暂态模型,在机电侧搭建IEEE标准四机机电暂态模型,分别对柔直系统模型的启动、有功阶跃和交流系统故障进行仿真,仿真结果表明交直流系统相互作用明显,同时也证明基于该平台混合仿真的有效性及正确性。