基于模块化多电平换流器的直流输电系统网侧不平衡故障穿越研究

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)柔性直流输电系统在电网发生单相或两相故障时,会导致MMC桥臂上产生两倍频的正序、负序和零序环流,零序环流由于不能在三相桥臂之间相互抵消而进入高压直流侧,会影响其他换流站的运行。为此设计了二次零序环流控制器来对其进行抑制。并针对不平衡故障时,在相同传输功率下子模块电容电压波动幅值变大的问题,提出了通过对桥臂注入一定的负序二次环流,降低子模块电容电压波动的控制策略。在Matlab/Simulink中搭建了基于MMC-HVDC的仿真模型,仿真结果表明此算法能保证直流母线电压的稳定,并降低子模块电容电压的波动,提高了MMC换流器不平衡故障的穿越能力。     

不平衡电压下的MMC控制策略研究

模块化多电平变流器MMC(modular multilevel converter)在高压直流输电领域有着众多优势,在未来传输新能源电能有着重要作用。在不平衡电压下,基于交流有功功率的分析,设计了基于正、负序控制的电流控制器,消除有功功率二倍基频波动。同时,MMC桥臂环流包含正、负、零三序分量,传统环流控制器(CCSC)仅考虑了负序分量,因而并不适用不平衡电压。在瞬时功率理论分析的基础上,提出并设计了一种基于直接控制环流正、负、零三序分量的环流控制器。通过Matlab/Simulink仿真平台,与传统二倍频负序旋转坐标变换的环流控制器对比,验证了所提出控制器的有效性。     

一种适用于模块化多电平换流器的新型环流控制器

模块化多电平换流器(MMC)桥臂环流中的谐波直接影响MMC的工作特性和损耗。文中推导了MMC交流侧电流、桥臂电流和环流之间的内在联系,指出MMC在交流电网对称和不对称情况下桥臂环流中都含有二倍频谐波。为了对MMC谐波环流进行有效抑制,提出了一种基于比例-积分-谐振(PIR)控制的MMC新型环流控制器,无需二倍频负序坐标变换和相间解耦。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了包含该PIR环流控制器的双站MMC仿真模型,并与旋转坐标系下的环流控制器在交流电网对称和不对称情况下进行了对比仿真分析,仿真结果验证了所提出的PIR环流控制器的有效性。     

MMC子模块电压均衡及环流抑制方法研究

子模块电容电压均衡及桥臂环流问题会对模块化多电平变换器(MMC)的直流侧电压平衡及换流器内部稳定运行产生很大影响.提出子模块电压分块均衡控制策略以及基于矢量比例积分(VPI)谐振控制器的桥臂环流抑制策略.电压平衡控制方法采用分块原理,对子模块电容投入顺序分为三级进行,可以减小桥臂电压波动,而且可以减小IGBT的开关频率...     

新型牵引供电系统直流侧二次波动分析与抑制

为解决传统牵引供电系统中存在的电能质量和过分相问题,介绍了一种基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)的新型牵引供电系统。分析了新型牵引供电系统中出现的直流电压、电流二倍频波动问题,主要有两方面原因:一是受端单相H桥型模块化多电平换流器(SPH-MMC)正常工作时内部环流将流入直流侧引起直流电压、电流二倍频波动;二是送端三相MMC因电网电压不平衡时桥臂中存在的零序电压分量造成直流电压、电流二倍频波动。为此,对于SPHMMC基于准比例谐振控制器和二阶广义积分器设计环流抑制控制器;对于三相MMC设计无需锁相环和无需电流正、负序分解的电网不对称故障控制器,利用电压补偿技术设计直流侧二倍频波动抑制器。最后,以三端单相-三相MMC-MTDC仿真模型为例验证该文的分析结果和所提出的控制策略。     

适用于模块化多电平换流器的环流抑制策略

针对模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)内部环流问题,结合变流器拓扑结构特点,提出一种基于交叉耦合控制的新型环流抑制策略,该方法通过检测桥臂电流,经二倍频负序旋转坐标变换分离MMC内部环流,进而采用交叉耦合控制方式实现MMC内部环流的快速抑制,以减小子模块电容电压波动;通过建立环流控制器(circulating current suppression controller,CCSC)的传递函数,详细分析并设计了MMC内部环流交叉耦合控制器,同时分析了所设计控制器系统的稳定性。最后利用PSCAD/EMTDC搭建了系统仿真模型,验证了所提环流控制策略的有效性,使变流器的系统稳定性与整体运行性能得到显著提高。     

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。     

基于桥臂电流控制的MMC改进电容电压均衡控制策略研究

子模块是模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)交直流之间能量交互的缓冲环节,在稳态、暂态下子模块电容电压保持均衡对于MMC不间断运行至关重要。首先,分析电网故障对无变压器MMC内部动态特性以及对交直流侧电压电流的影响。其次,为了提升MMC电容电压控制性能,提出一种基于桥臂电流控制的MMC改进的四层结构子模块电容电压均衡控制策略,包括子模块全局电容电压平均值控制、相间电容电压平衡控制、上下桥臂电容电压平衡控制和桥臂内子模块电容电压平衡控制,由此得到内环桥臂电流控制的电流指令值。最后,通过仿真研究和样机实验验证所提控制策略的可行性和有效性。结果表明：所提的控制策略在交流电网不对称故障和直流极对极短路故障下均能保持MMC子模块电容电压的均衡,并有效地消除交流侧谐波电流和桥臂内部的正序、负序及零序交流环流。     

基于能量分析的MMC-STATCOM电容电压三级平衡控制

为实现模块化多电平变流器(MMC)作为电网静止同步补偿器(STATCOM)进行无功补偿的目的,同时满足各模块电容电压平衡的要求,可以采用三级能量平衡控制策略。首先对MMC中相与相之间、上桥臂与下桥臂之间、子模块与子模块之间能量变换和转移机理及特性进行了深入分析。详细探讨了影响MMC能量平衡的决定因素;又采用了基于准PR控制器的二倍频环流抑制策略抑制环流;在此基础上,借鉴了三级能量平衡控制策略,实现了电容电压的平衡控制。仿真结果表明:通过对MMC内部能量平衡控制,能够减缓系统遭受相间负载不平衡大扰动后的电容电压波动,从而避免由于三相不平衡所引起的STATCOM脱网运行事故。采用所提的电容电压平衡控制策略可以有效提高MMC-STATCOM的安全稳定运行能力。     

桥臂参数不对称MMC的运行与控制

实际工程中,模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)上、下桥臂参数不可避免地会存在一定的差异,从而导致交流侧电流中出现直流和2倍频分量,直流侧电流中出现基频和2倍频振荡分量,以及不同桥臂间电容电压发生不平衡等一系列问题。为解决这些问题,建立了桥臂参数不对称情况下MMC的解耦控制模型,提出了桥臂电流直接控制策略,有效地改善了参数不对称下MMC的电流控制问题。同时,基于子模块级联串能量模型,提出一种有功环流和无功环流相结合的环流注入方法,在实现上、下桥臂电容电压平衡的同时,确保MMC的端口特性不受内部环流的影响。最后,仿真和实验结果验证了理论分析和所提控制策略的有效性。     

MMC均压控制参数优化研究

模块化多电平换流器(MMC)因特殊的级联拓扑导致了子模块电容电压均衡和以二倍频负序为主的环流问题,使桥臂正弦特性电流波形发生畸变,危害换流器安全运行。在现有的MMC电容电压均衡控制系统的基础上,研究了基于蚁群算法的分数阶PI控制在MMC电容电压均衡中的应用,以绝对误差积分准则作为目标函数,通过分数阶PI的引入增强了控制器对输入指令的追踪能力,利用蚁群算法的最短路径寻优能力对控制器参数进行优化整定,增强了电容电压均衡能力与环流抑制能力。通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提策略的有效性,波形THD从44.25%下降至12.28%。     

基于补偿原理的MMC-HVDC系统不对称故障控制策略

为提高模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统交流侧发生不对称故障时控制系统的运行特性,研究了电网发生不对称故障下的负序电流抑制和直流电压稳定的控制策略。针对双序内环电流控制系统需要进行电压电流的旋转变换且d轴和q轴之间存在耦合的问题,设计了二阶复数滤波器对电网电压的正负序分量进行提取,并采用电压补偿原理对提取出来的负序分量设计了负序内环电压控制器,对双序内环电流控制器进行了有效的改进,简化了控制系统的结构。为实现不对称故障下直流电压的稳定,基于模块化多电平换流器(MMC)低频连续模型,在不对称故障下推导出桥臂功率和子模块电容电压中均含有二倍频的负序波动分量和二倍频的零序波动分量,进而设计了二倍频零序补偿控制器。在PSCAD/EMTDC中搭建了上述控制器,仿真结果表明所提出的控制策略可以有效抑制负序电流、稳定直流母线电压。     

基于单相矢量控制的MMC环流抑制策略

模块化多电平变流器(MMC)在正常运行时子模块和桥臂的电气量存在循环耦合关系,会在相内产生二倍频环流。二倍频环流对MMC输出功率无贡献,却增加了开关管额定容量和通态损耗,也给MMC系统带来高次谐波扰动,影响系统的正常运行。为抑制相内二倍频环流,本文提出了一种基于单相矢量的环流控制方法,控制器输出相应的控制补偿量对MMC桥臂电压进行补偿调制,实现了相内二倍频环流的抑制。最后采用专业软件PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,其结果验证了所提控制策略的可行性。     

基于MMC桥臂电流的STATCOM不平衡补偿控制方法

为稳定模块化多电平静止同步补偿器(MMC-STATCOM)的综合补偿,其交流侧电流、内部环流和子模块电容电压均须加以控制。文章首先分析了MMC-STATCOM同时补偿无功和负序电流的原理;然后针对一般方法将MMC交流侧电流和环流分开控制,提出一种基于MMC桥臂电流的STATCOM不平衡补偿控制方法,以实现MMC内外特性的双重控制,减少了专门的环流抑制器,并采用准PR控制器进行MMC上、下桥臂电流的无静差跟踪,以减少控制系统的复杂程度;最后,在PSCAD/EMTDC中进行仿真验证,结果表明所提方法可以实现STATCOM综合补偿,同时能有效抑制MMC内部环流。     

基于连续控制集模型预测控制的MMC桥臂电流控制策略

模块化多电平变换器(MMC)的桥臂电流控制方法可同时实现交流侧电流控制和环流抑制。连续控制集模型预测控制(CCS-MPC)是一种时域内基于模型的最优控制方法,动态响应快,可以实现多频带复合信号的准确跟踪。提出一种基于CCS-MPC的桥臂电流控制方法,通过设计模型预测控制(MPC)控制器同时实现桥臂电流直流分量、基频交流分量的准确跟踪和倍频环流的抑制,克服了传统分频控制策略在暂态期间不同控制器相互影响的问题,无须对各个频率信号单独设计控制器,简化控制结构。在此基础上,提出了包含桥臂电流指令值计算、基于MPC的桥臂电流控制和子模块电容电压均压控制的MMC综合控制策略。最后,在MATLAB/Simulink中搭建三相MMC仿真模型,验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

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。     

应用于风力发电的MMC子模块新型电容降容控制

模块化多电平换流器(MMC)因其多方面优势适用于中压及更高电压等级的风力发电,但由于风电机组的低频大电流工况,机侧MMC子模块电容电压波动大,需要大的直流滤波电容。提出一种在负序二倍频环流控制器中注入环流来抑制子模块电容电压波动的策略,指出了所注入的环流的初相角的选择依据,并给出了基于该方法的子模块电容容值选取依据。针对该策略带来的环流二倍频分量增加的问题,提出了一组表征子模块电容电压抑制效果相对于环流增加量的折中系数,指出需根据系统要求来选择不同的折中系数作为评价标准,以达到所需求的总体性能。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器内部环流频谱特性分析

模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输电系统的核心技术.然而MMC三相桥臂间的内部环流会使本来正弦的桥臂电流发生畸变,从而导致MMC系统成本增加,损耗增大.为了分析三相桥臂环流的产生机理,建立了 MMC电路的数学模型,从瞬时能量动态特性角度考虑给出了桥臂环流的计算方法,证明了内部环流的存在性,指出了其主要由直流分量与二倍频负序分量组成.从解析表达式入手探讨了内部环流二倍频分量的影响因素,搭建了 MMC双端测试系统,分析了换流阀功率因数、电压调制比、桥臂电抗对MMC内部环流频谱特性的影响.基于理论分析研制了换流阀组件样机,搭建了基于H桥的运行试验系统,进行了试验验证,证明了样机对内部环流的耐受能力满足要求.     

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直流输电控制策略

模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统的控制策略及电流内环控制器对其故障时的运行特性有着重要影响。设计了电网电压不平衡下负序电流抑制策略和对应的限流环节。为解决正负双序同步旋转坐标下电流序分量分解和控制器较多问题,构建了基于比例积分和谐振控制的混合电流矢量控制。此外为降低桥臂环流对系统运行的影响,在分析桥臂电流构成成分的基础上,针对环流序分量2倍频特点设计了桥臂环流抑制器。仿真结果表明混合电流矢量控制能够实现直流和2倍频交流电流信号的统一控制,达到了负序电流和桥臂环流的抑制效果。