基于PSCAD的模块化多电平换流器仿真研究

作为新一代直流输电技术,基于电压源换流器(VSC)的柔性直流输电(VSC-HVDC)发展前景广阔,特别是模块多电平换流器(MMC),将日趋成熟并广泛应用到输电领域。主要研究模块化多电平换流器系统的主电路参数设计、控制方法和仿真建模方法。在EMTDC/PSCAD平台上,搭建两端模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)的详细仿真模型,通过对模型在额定状态和功率波动状态下的运行结果进行分析,验证了仿真模型的有效性。     

MMC功率模块过压故障导致柔性直流闭锁分析

针对鲁西背靠背柔性输电系统模块化多电平换流器(MMC)功率模块过压故障进行深入分析,通过现场故障检查,返厂检验分析出功率模块过压原因,同时应用鲁西背靠背柔性输电系统RTDS仿真系统精准地进行了故障再现.最终,指出功率模块过压暴露的问题及改进措施,这些措施对柔性直流输电的设计有很高的参考价值,同时为我国柔性直流发展总结了...     

模块化多电平换流器操作过电压分析EI北大核心CSCD

模块化多电平换流器(MMC)是高压大容量柔性直流(VSC-HVDC)输电工程的核心,换流器设备的参数设计和型式试验需要基于其暂态过电压的分析结果。为此,提出了模块化多电平换流器的操作过电压计算模型。基于±500 k V柔性直流输电工程的系统参数,研究了模块化多电平换流器设备的设计参数对操作过电压的影响,包括避雷器、桥臂电抗器和子模块储能电容器。结果表明:对于模块化多电平换流器,操作过电压分析中起决定作用的故障工况是换流器交流出口单相接地故障、换流器直流出口单极接地故障、和换流器交流出口相间短路故障;避雷器的荷电率增加时,模块化多电平换流器交流侧相对地、直流侧极对地和桥臂端间的最大操作过电压幅值降低;桥臂电抗器的电感值增加时,模块化多电平换流器的交流侧相对地最大操作过电压幅值降低;子模块储能电容器的电容值增加时,模块化多电平换流器直流侧极对地最大操作过电压幅值增加。研究结果可为柔性直流输电工程换流器的设计和试验提供参考。     

具有储能功能的模块化多电平换流器的控制方法

研究具有储能功能的模块化多电平换流器的控制方法,将模块化多电平换流器与电池储能系统相结合,适用于离岸风电场接入电力系统等柔性直流输电应用。系统在模块化多电平换流器的基础上,在子模块直流侧加入蓄电池实现储能。换流器两侧均可等效为受控电压源,可在储能容量范围内对直流侧馈入功率起到平滑作用。运行时,换流器交流侧有功无功电流解耦控制实现交流功率控制,换流器直流侧直流电流控制实现直流功率控制,给出子模块SOC控制方法和子模块组SOC控制方法实现系统中大量蓄电池SOC的平衡控制。计算机仿真分析表明,提出的系统可实现交直流功率控制和储能功能。     

模块化多电平换流器操作过电压分析

模块化多电平换流器(MMC)是高压大容量柔性直流(VSC-HVDC)输电工程的核心,换流器设备的参数设计和型式试验需要基于其暂态过电压的分析结果。为此,提出了模块化多电平换流器的操作过电压计算模型。基于±500 k V柔性直流输电工程的系统参数,研究了模块化多电平换流器设备的设计参数对操作过电压的影响,包括避雷器、桥臂电抗器和子模块储能电容器。结果表明:对于模块化多电平换流器,操作过电压分析中起决定作用的故障工况是换流器交流出口单相接地故障、换流器直流出口单极接地故障、和换流器交流出口相间短路故障;避雷器的荷电率增加时,模块化多电平换流器交流侧相对地、直流侧极对地和桥臂端间的最大操作过电压幅值降低;桥臂电抗器的电感值增加时,模块化多电平换流器的交流侧相对地最大操作过电压幅值降低;子模块储能电容器的电容值增加时,模块化多电平换流器直流侧极对地最大操作过电压幅值增加。研究结果可为柔性直流输电工程换流器的设计和试验提供参考。     

提升电网单相接地故障时MMC功率送出能力的改进控制策略

为应对电网故障时柔性直流输电系统受端换流站功率送出能力大幅降低,导致直流母线电压迅速升高,威胁系统安全稳定运行的问题,提出了提升电网单相接地故障时受端换流站功率送出能力的改进控制策略。首先,针对换流变压器采用不同接线组别时,电网单相接地故障对于模块化多电平换流器功率送出能力的影响进行研究;在此基础上,提出了一种模块化多电平换流器改进控制策略,通过抑制零序电流来提高模块化多电平换流器的功率送出能力;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台构建了风电场柔性直流并网模型并进行了仿真研究。研究结果表明:将所提出的改进控制策略应用于采用Y_0/Y_0接线组别变压器的模块化多电平换流器,可有效提升其功率送出能力,从而大幅降低耗能电阻的容量需求,减少工程建设成本。研究结果验证了所提控制策略的有效性。     

可控电压源型柔性直流输电换流器拓扑综述

为分析不同可控电压源型柔性直流输电换流器拓扑结构的技术特点,围绕模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）,建立了基于几种可控电压源型换流器拓扑的柔性直流输电系统电磁暂态模型,结合PSCAD／EM’I＇DC的数字仿真结果,验证了所提出的换流器拓扑结构及其输电方案的可行性。     

模块化多电平HVDC输电系统子模块电容值的选取和计算

从模块化多电平柔性直流输电系统稳态能量交换过程、有功功率控制动态响应特性、暂态能量交换过程及直流双极短路故障时桥臂保护要求4个方面分析了子模块电容值与直流系统运行特性之间的数学关系。根据理论分析结果,给出了模块化多电平子模块电容的选取原则和计算方法。通常根据稳态子模块电压波动和有功功率控制动态响应特性的要求计算子模块电容值,再根据暂态子模块电压波动和桥臂保护的要求进行校验。利用PSCAD电磁暂态仿真模型对设计实例进行了仿真分析,结果表明该设计方法是合理、可行的。     

考虑子模块均压约束的混合型模块化多电平换流器功率极限分析

混合型模块化多电平换流器具备降压运行和不闭锁穿越直流故障的能力,子模块均压约束是其降压运行时对稳态功率运行范围起主要限制的运行约束。从满足子模块均压约束的换流器桥臂电流和桥臂电压的特性出发,分析了混合型模块化多电平换流器在降压运行时的功率极限运行范围。提出了快速确定混合型模块化多电平换流器可行功率运行域的计算方法。通过对比解析扫描计算的结果和电磁暂态仿真共同验证了计算方法的准确性和有效性。分析了全桥子模块比例对功率运行极限范围的影响。从功率运行能力的角度提出了全桥子模块最小比例的设计方法。     

基于HCM3000平台柔性直流输电系统设计

针对传统柔性直流输电工程换流器桥臂开关频率高、谐波含量大、动态均压困难、系统损耗大、系统容量小等缺点,提出基于模块化拓扑结构换流器应用于实际柔性直流输电工程。给出模块化换流器桥臂详细拓扑结构及其子模块充电过程;推导柔性直流有功功率、无功功率控制算法,并在HCM3000平台完成桥臂控制器设计;基于主流RTDS仿真平台搭建闭环仿真系统,对控制器控制功能仿真测试并对仿真结果进行分析总结。整个设计过程对今后柔性直流输电控制保护系统工程化设计有实际借鉴意义。最后,对柔性直流推广应用作出展望。     

一种适用于架空线柔性直流输电的增强型四电平子模块拓扑

架空线柔性直流输电技术在高压直流断路器尚未达到大规模商业化应用阶段,采用具有直流故障自清除能力的换流器拓扑具有重要的工程意义。基于改进型子模块的模块化多电平直流输电技术,提出了一种具有直流故障自清除能力的增强型四电平子模块(enhanced four level sub-module,EFLSM),可以独立控制每个电容的投切状态,任意输出3电平到0电平之间的4种电平,与现有的全桥子模块以及箝位双子模块相比,子模块在保证直流故障自清除能力的基础上,每个电容所平摊的半导体器件数有所下降,换流器损耗已接近传统的半桥子模块型模块化多电平换流器的水平。最后,应用电力系统计算机辅助设计和电磁暂态模拟程序软件(power system computer aided design and electric magnetic transient in DC system,PSCAD/EMTDC)搭建时域仿真模型进行仿真计算,验证所提拓扑的有效性。     

多端柔性直流输电系统直流故障保护策略

直流故障保护是多端柔性直流输电系统的一个关键性问题。本文在全桥型模块化多电平换流器的基础上,提出适用于多端直流输电系统的换流器级和系统级直流故障保护策略。根据全桥型模块拓扑特性,换流阀闭锁实现故障电流快速清除;然后换流器等效为双星型级联H桥STATCOM并联运行,为故障清除和隔离开关动作隔离故障点提供条件;最后转换换流器运行模式完成多端柔性直流输电系统的快速恢复。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端柔性直流输电系统仿真模型,分析了直流故障和系统重新启动的运行特性,仿真结果证明了控制策略的有效性。     

柔性直流输电系统功率模块研究与设计

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是电压源换流器直流输电(voltage source converter-high voltage DC,VSC-HVDC)技术领域的一种新型多电平换流器。文中首先介绍了MMC的拓扑结构及功率模块的工作原理;再从功率模块的系统架构、软硬件设计、损耗计算等方面阐述了功率模块的设计方法;在此基础上利用PSIM软件对功率模块的对拖运行进行了建模与仿真。最后通过实验验证了功率模块设计的合理性与可靠性。     

柔性直流输电系统换流器损耗与电压等级的关系研究

柔性直流输电一般采用模块化多电平换流器（MMC）,换流器损耗是衡量柔性直流输电系统的重要指标之一。推导了MMC子模块的通态损耗解析表达式、开关损耗解析表达式。从表达式可以看出,换流器损耗不仅与MMC子模块数量有关,还与柔性直流输电系统的容量、电压等级有关。详细分析了柔性直流输电系统容量与电压等级对换流器损耗的影响规律,得出了保证损耗最低的换流器输电电压等级的选取方式。仿真算例表明,采用所提方法确定的电压等级可以保证MMC换流器具有更低的损耗。     

一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统

现有三极直流输电系统基于晶闸管换流器,存在一些与传统直流输电系统相似的固有缺陷。文中提出了一种改进系统:极3采用基于全桥子模块的模块化多电平换流器,极1和极2采用基于钳位双子模块的模块化多电平换流器。同时,提出了三极直流协调控制策略,并且为了抑制过渡阶段的暂态过电压,减小接地电流和功率波动,还提出了电压反向控制、电流维零控制和功率协调控制。采用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,结果表明利用所提控制策略,三极直流输电系统能够获得较好的响应特性,在维持电容电压平衡的同时,能够抑制交直流间功率扰动和接地极电流波动。     

CDSM-MMC直流侧故障隔离原理及重启动策略

采用模块化多电平换流器的柔性直流输电系统,目前除了常见的半桥和全桥结构型的子模块,基于钳位双子模块的模块化多电平换流器由于其不仅能够隔离直流侧故障,且在经济性、性能上具有较强的优势,得到了广泛的关注和研究。通过介绍钳位双子模块(Clamp Double Sub-Module,CDSM)的工作原理,详细讨论分析了CDSM对于直流侧发生双极性短路、单极短路、断线等故障的隔离原理,以及柔性直流输电系统发生故障后控制器的工作状态,提出一种新型的柔性直流输电系统故障后的重启动策略,并在PSCAD/EMTDC下建立单端21电平基于CDSM结构的柔性直流输电仿真模型,通过对比所提出的重启动过程与原有重启动过程,验证了所提出重启动策略的有效性。     

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。     

考虑阀塔对地寄生参数的模块化多电平换流器子模块均压特性研究

针对柔性直流输电工程模块化多电平换流器在软启动过程中,采用自然均压策略时出现的桥臂子模块不均压现象进行了分析。在考虑阀塔对地寄生参数的基础上,推导得出子模块电容电压存在差异的理论依据。结合子模块损耗特性,分析子模块等效输入阻抗与自然均压状态下子模块电容电压的数学关系,推导得出其数学表达式。并通过该式进一步得出自然均压状态下,子模块电容电压收敛范围及其表达式。最后搭建考虑阀塔对地寄生参数的柔性直流输电系统换流器等效仿真模型,通过仿真验证了其有效性和准确性。所得出的模块化多电平换流器在自然均压状态下,其子模块电容电压收敛范围及其表达式对实际工程设计具有一定指导意义。     

基于混合子模块的循环嵌套型模块化多电平换流器特性

模块化多电平换流器在柔性直流输电领域中已得到广泛的应用。针对传统半桥子模块无法清除直流侧故障的问题,许多具备直流故障阻断功能的新型子模块相继被提出,相比半桥子模块,这些新型子模块增加了额外的阻断器件,从而在电平数较多的情况下增加了换流器的损耗。而基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器(NLMMC)拓扑具有高电平输出能力,结合该拓扑结构特点,提出一种混合子模块结构,应用到NLMMC之后,使该换流器在具有直流侧故障阻断能力的基础上,提高了电平输出能力,从而间接地减少了换流器的损耗。从该拓扑结构的工作原理入手,对该换流器的故障阻断机理和调制策略进行了分析,提出了分层电压平衡控制策略。最后通过PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了仿真模型,对换流器的电平输出能力、损耗特性以及故障阻断能力进行了仿真验证。     

模块化多电平换流器的简化模型研究

模块化多电平换流器是适用于高压直流输电的新型多电平换流器拓扑。在仿真试验中发现,随着模块化多电平换流器(MMC)级联模块数的增加,换流器中含有的电力电子器件也大幅增加,显著增加了电磁暂态仿真的计算量,提高了对计算机的硬件需求。通过分析MMC的均压控制过程,提出了一种基于数学方程的简化模型,仿真结果验证了该简化模型能够有效地减少仿真计算量,并拥有与详细模型近乎一致的动态和稳态响应,为研究级联模块数较多的MMC系统提供了一种有效的仿真试验方法。