可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略

低频输电作为一种新型输电技术,在海上风电送出、新能源场站送出等多个场景具有良好的应用前景。但在不对称故障下,故障侧功率不对称将严重影响模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter, M3C)的电容电压均衡,对低频输电系统安全稳定运行产生不利影响。为此,提出了一种可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略。首先,介绍M3C的系统结构及双αβ0数学模型,并分析不对称故障下电容电压不均衡的原因。然后,基于双αβ0数学模型针对输电线路不对称故障情况计算桥臂功率不均衡分量的表达式,通过M3C功率平衡关系引入电流补偿分量,消除桥臂功率的不均衡,并得到适用于不对称故障的环流控制目标,进而通过环流控制实现故障下M3C电容电压的均衡。最后,搭建基于M3C的低频输电系统仿真模型验证所提控制方案的可行性和有效性。     

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。     

模块化多电平矩阵变换器输入输出频率相近时低频运行控制策略

提出了一种模块化多电平矩阵变换器(M3C)输入输出频率相近时的低频运行控制策略。方案采用桥臂电流反馈控制,实现输入输出侧电流和内部环流的三重控制,并约束内部环流不影响输入输出侧;电压外环采用层次化电容电压控制策略,包括M3C总电容电压控制、输入输出侧相间平衡控制以及桥臂间平衡控制,其中桥臂间平衡控制通过叠加高频环流及零序电压实现,并引入PR控制器实现差频纹波的闭环抑制。该方案适用于输入输出侧频率相同的特例工况。通过OPAL-Rtlab半实物实验验证了该方案的可行性和有效性,以及优良的动静态特性。     

基于故障负序分量的低频变压器快速差动保护

低频变压器是低频输电系统的核心器件之一。实验表明低频系统的故障暂态过程多变,低频变压器的短路电气量特征与常规变压器有较大差异。由于励磁涌流判据开放速度缓慢,低频变压器发生区内故障时常规纵差保护的速动性受到影响。文中提出了基于故障负序分量方向原理的低频变压器快速差动保护。首先,分析了模块化多电平矩阵变换器(M3C)低频输电系统的变压器区内故障特性以及M3C换频器响应情况;其次,分析了负序计算的数值方法对负序差动影响,并通过分析低频系统故障初期的窗口时间内的负序特征,提出了故障负序分量方向的判别方法;进一步,讨论了该方法在变压器非正常工况下对励磁涌流如何区分判别。最后,以实际工程为例建立仿真模型,针对典型区内故障对所提方法进行了仿真验证。     

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。     

双端柔性低频输电系统无扰动并网控制策略

基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的低频输电系统(LFTS)在海上风电送出、城市电网及远距离输电相关领域应用潜力巨大。为研究LFTS启动过程及相关控制策略,实现M3C在无电压电流冲击状态下将换流站连接到低频输电线路,文中提出一种无扰动并网的启动方法。首先,分析LFTS结构及工作原理。然后,以双端LFTS为对象,分析M3C子模块选取原则以及充电过程。利用电容处于额定电压时闭锁M3C不与低频电网交换功率的特性,通过灵活控制M3C以及合理设计启动逻辑,无须新增检同期装置及控制算法,可解决LFTS启动时易出现的过压过流问题。最后,搭建实时数字仿真系统(RTDS)进行验证,仿真结果表明了所提控制策略的正确性,各换流站连接到低频输电线路时无电压电流冲击,工程应用前景较好。     

交流不对称故障下MMC-HVDC系统的故障穿越控制研究

MMC-HVDC系统中交流电网发生不对称故障会导致三相电压不平衡,进而产生正负序分量影响系统的控制性能,严重时甚至引起换流站闭锁.介绍了MMC-HVDC系统的拓扑结构、工作原理以及数学模型.在分析交流不对称故障下系统运行特性的基础上,设计了适用于交流不对称工况的MMC负序电流抑制器,用以抑制交流不对称故障下换流站的负序...     

基于模块化多电平变换器的单相低频输电方法

基于全桥模块的模块化多电平变换器(FMMC)提出了一种单相低频(SLFAC)输电方法。一种拟方波波形作为低频侧电压波形的提出,不仅可以解除对低频侧输电频率的限制,实现1 Hz甚至更低频率的输电,而且可以减小低频侧功率波动和电缆的充电电流,使SLFAC的输电能力与高压直流(HVDC)输电相近。从技术经济性角度对SLFAC,HVDC及三相低频(LFAC)输电进行对比分析。提出了适用于FMMC-SLFAC的功率平衡策略,在保证系统有功平衡的前提下,实现低频侧功率波动全部由FMMC中电容吸收,不流入工频侧。推导了由低频侧功率波动引发的电容电压波动,并在电容电压波动限幅范围内,给出了低频侧电压切换时长表达式。给出了综合控制策略,通过仿真验证了FMMC-SLFAC的有效性和可行性。     

轻型直流输电系统的不对称故障控制策略

基于电压源变流器(voltage source converter,VSC)的轻型直流输电(VSC-HVDC)正成为一种经济灵活的新型输电方式。但是当交流系统发生不对称故障时,系统中存在的负序分量在脉宽调制(pulse width modulation,PWM)的作用下会产生大量的非特征谐波,并严重恶化VSC- HVDC系统的控制性能。文章在换流站正序模型的基础上建立了系统的负序模型,提出一种基于精确反馈线性化理论的正负序电流非线性控制器,并针对系统故障时出现的直流过电压问题设计了2种应对策略。在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC下对上述控制策略进行了仿真验证,达到了预期的控制效果。     

模块化多电平变换器调制策略研究

模块化多电平变换器(MMC)具有可以输出任意电平数、谐波含量低、电磁干扰小、各个模块共用直流侧等优点,在近年来引起了广泛的关注。由于MMC存在着调制复杂和子模块电容电压均衡控制困难等问题亟待解决。针对此难题提出了一种新型的载波平移PWM调制策略,该策略将子模块电容电压的均衡控制整合到MMC的调制中,通过对三角载波的上下平移来改变与正弦调制波的交叉位置从而能够改变其对应的子模块的开关规律。在有效控制电容电压的同时降低了不必要的开关损耗。最后在MATLAB/SIMULINK下建立了模型,验证了该策略的合理性。     

模块化多电平换流器电容电压与环流的控制策略

电容电压控制和环流的抑制一直是模块化多电平换流器(MMC)拓扑研究很重要的一方面,也是制约该拓扑应用于柔性高压直流输电(HVDC)领域的瓶颈。分析了模块化多电平换流器电容电压波动以及环流偶次谐波产生的机理。在排序均压的载波移相调制(CPS-SPWM)策略的基础上,附加了电容电压均衡控制,以抑制电容电压的波动。同时介绍了一种闭环的谐振环流控制器,实现对环流交流成分的抑制。该控制策略结构简单,且适用于单相系统。仿真结果表明,采用上述的控制方法,电容电压的波动和环流都得到很好的抑制,动态结果也很好。     

模块化多电平型换流器电容电压二倍频波动抑制策略研究

针对当前关于抑制模块化多电平型换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)直流电容电压波动的研究较少被涉及,提出了一种用于抑制MMC电容电压二倍频波动的控制策略。由于相单元电容电压之和反映了子模块电容电压的二倍频波动,所以采用二倍频负序旋转坐标变换将换流器三个相单元分别的电容电压之和分解为dq0轴分量,并设计了相应的附加控制器用于分别控制相单元电容电压之和的dq0轴分量,从而抑制了子模块电容电压的二倍频波动。最后通过Matlab/Simulink搭建了包含该附加控制器的MMC仿真模型,结果证明所提出的控制策略可以在不增大子模块电容值的情况下,有效地抑制子模块电容电压的二倍频波动,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生不良影响。     

分频输电系统模块化多电平矩阵变换器谐波特性分析

模块化多电平矩阵变换器(M3C)是构建分频输电系统(FFTS)的核心装备,但是M3C在进行交-交变换时,会导致两侧不同频率交流系统电气量在M3C内直接耦合,引起系统复杂的谐波分布。为分析M3C谐波特性,首先基于M3C工作原理推导得到子模块电容纹波电压解析式,在此基础上推导9个桥臂考虑子模块电容电压全部4种频率分量耦合的桥臂谐波电流解析式,进而分析多种频率桥臂谐波电流与系统电流的关系以及影响纹波电压/谐波电流幅值的关键因素。结果表明,在稳态下,分频侧频率ω₁和工频侧频率ω₂的电流分量以正序基波电流性质流入对应系统;频率为3ω₁和3ω₂的电流分量以零序谐波电流性质流入两侧交流系统;其他频率谐波分量在变换器内部环流。文中针对M3C提出一种零序电流抑制控制策略,并在Matlab/Simulink中进行仿真,验证了谐波理论分析的准确性以及控制策略的有效性。     

模块化多电平矩阵变换器的平坦控制策略

模块化多电平矩阵变换器(M3C)能实现三相交流-交流的变换,其突出优势是易于模块化、可靠性高、谐波含量低等,可用于高压大容量变频调速系统。针对传统PI控制稳定速度慢、易产生超调、动态性能差等缺陷,基于微分平坦理论推导出适用于M3C的非线性平坦控制策略,并通过李雅普诺夫方法证明了平坦控制系统的稳定性。平坦控制具有响应快速、无超调、跟踪无静差、动态性能高等优点,能极大地改善M3C输入、输出侧电流的控制效果,且在输入侧频率、输出侧负载变化等运行工况下,平坦控制策略依旧能保持极低的系统冲击量,整体控制效果较好。最后通过MATLAB/Simulink仿真平台对不同工况进行仿真,结果验证了平坦控制策略的正确性和优越性。     

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。     

非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制

用于中高压直流电压转换和直流电网互联的高压大功率直流变压器一般采用中间交流变压器,存在损耗高和体积大等不足。对一种非隔离型的模块化多电平DC/DC变换器进行了研究,与普通双有源桥式DC/DC变换器相比,避免了交流变压器的存在。首先分析了此变换器的工作原理,建立了变换器的等效数学模型。考虑子模块电容电压存在特殊的不平衡,变换器需要引入交流循环电流,提出了一种保证桥臂功率均衡的最小化桥臂环流的控制策略,减小了桥臂电流的交流分量,降低了变换器的损耗。在Matlab/Simulink中仿真验证了变换器的性能和最小环流控制策略的有效性。最后搭建实验平台进行了实验验证。     

一种新型的n +1混合式模块化多电平换流器拓扑结构及其控制策略

针对中压应用场合,提出一种新型的n+1混合式模块化多电平换流器(HMMC)拓扑结构。在传统单桥臂n个子模块的模块化多电平换流器(MMC)基础上,加入1个全桥子模块,使其电容电压控制为半桥子模块的一半,实现输出电压电平数由原先的n+1增长至2n+3。针对其结构提出一种混合式调制方式,在保证HMMC稳定工作的基础上,降低HMMC子模块的工作开关损耗。由于全桥、半桥子模块电容电压不一致,采用一种电容预充电方式,并对子模块电容电压建立数学模型,提出一种子模块电容电压平衡的控制策略。在MATLAB/Simulink软件中搭建仿真模型,仿真结果验证了所提拓扑结构和控制策略的有效性和正确性。     

子模块混联MMC-HVDC系统直流侧短路故障电流抑制方法

考虑到目前直流输电系统故障难以快速清除且故障后系统重启的复杂度较高,基于全桥及半桥混联的模块化多电平换流器系统,提出一种直流双极短路故障电流抑制方法。首先根据系统调制度裕量计算得到用于抑制故障电流的抑制电压。然后进行判断,当故障电流大于电流上限值时,控制每相级联电压为负的抑制电压;当故障电流小于电流下限值时,控制每相级联电压为正的抑制电压;当故障电流位于电流上、下限值之间时,控制每相级联电压为零,此时系统等效为两个并联的无功补偿器,可以为电网持续提供无功支撑。该方法能够在系统不闭锁的情况下快速将故障电流抑制在给定的范围内,算法简单、容易实现。最后基于PSCAD/EMTDC搭建了MMC-HVDC双端系统仿真模型,验证了所提出的故障电流抑制方法的正确性和有效性。