MMC-HVDC输电系统中高频阻抗建模及谐振机理分析

目前对基于模块化多电平换流器的高压直流(modular multilevelconverterbasedhighvoltagedirectcurrent,MMC-HVDC)输电系统的中高频谐振机理尚缺乏系统性的研究,因此,基于分块化阻抗建模方法和谐波阻抗分析法系统地揭示了MMC-HVDC输电系统的中高频谐振机理。首先,基于分块化阻抗建模方法,将MMC-HVDC输电系统进行分块,通过对交直流系统电路及MMC控制系统的分析,分别建立了MMC交、直流侧等效阻抗模型,同时根据线路的分布参数特性建立了输电线路阻抗模型,形成了MMC-HVDC输电系统等效模型;其次,通过研究控制环节和参数对MMC等效阻抗的影响,获得了主要的影响因素;然后将谐振分为有源谐振和无源谐振,从而系统地揭示了MMC-HVDC输电系统的谐振机理;最后,通过仿真验证了所建模型及谐振分析方法的有效性和正确性。分析及仿真结果表明：在中高频段,MMC直流侧系统仅可发生有源谐振,谐振频率主要与直流线路参数有关;MMC交流侧系统可发生无源和有源谐振,无源谐振主要受MMC交流侧阻抗负阻尼特性的影响,而有源谐振与MMC和电网参数均相关。     

模块化多电平换流器的交直流侧阻抗模型

模块化多电平换流器(MMC)的阻抗建模是分析基于MMC的电力电子系统交、直流侧谐振及稳定性的基础条件。依据MMC的拓扑结构、运行及控制特性,同时考虑环流控制对MMC交、直流侧阻抗的影响,分别推导了MMC直流侧和交流侧的小信号阻抗解析模型。利用MATLAB/Simulink搭建了三相MMC详细时域仿真模型,采用注入小扰动电压/电流的方法测量MMC交、直流侧的小信号阻抗,与推导的MMC交、直流侧阻抗解析模型的计算结果比较,验证了解析模型的正确性。MMC阻抗模型仿真结果表明:在不加环流控制的情况下,MMC交流侧的小信号阻抗在低频范围内存在谐振峰;而加入环流控制后,该谐振峰能够得到有效抑制。     

多端柔性直流输电系统谐波特性及交互机理分析

为分析基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)的谐波特性及交互机理,首先引入平均开关函数的概念,建立了MMC详细时域模型,忽略内部动态特性得到MMC简化模型,从而得到MMC-MTDC的等值电路以及各换流器直流侧谐波电流对各换流器直流端口电压谐波的传递函数。随后,定义MMC交流侧电流和直流侧电压电流的各阶动态相量为状态变量,将MMC时域模型转化为序分量动态相量谐波分析模型,得到MMC特征谐波分布特性及交直流侧谐波传递机理。通过描绘换流器直流侧谐波电流对各换流器直流端口电压谐波传递函数的频率特性曲线,分析了MMC-MTDC的谐振特性以及谐波在不同换流器间的交互机理。最后,在MATLAB/Simulink中的仿真验证了谐波特性及交互机理分析的正确性,分析结果可为谐波抑制策略的提出提供理论支撑。     

模块化多电平换流器动态相量建模

模块化多电平换流器(MMC)包含大量由开关器件组成的子模块,导致基于这种换流器的高压直流输电系统(MMC-HVDC)电磁暂态模型仿真速度和规模受到限制,机电暂态模型无法显示换流器内部环流等特性,时域解析数学模型用于环流分析时计算复杂、灵活性差。为了快速地计算MMC交直流侧电压、电流,在MMC开关函数模型和状态方程表示的等效模型的基础上推导了动态相量模型。在Matlab中编写以各阶动态相量为状态变量的状态方程进行计算,得到包括直流侧2次环流在内的换流器内外部电压、电流特性,并与应用Matlab/Simulink仿真软件得到的电磁暂态模型进行了暂、稳态和仿真耗时的对比。结果表明,所提动态相量模型计算的交流侧输出电压、电流和直流侧环流与电磁暂态模型吻合,动态相量模型是正确且高效的。     

MMC型直流输电系统阻尼控制策略研究

柔性直流输电系统中直流电流的振荡频率和幅值与系统主电路参数、平波电抗器、线路长度、稳态运行点以及所采取的控制策略存在很大关系。为研究直流电流的振荡特性及其抑制策略,文章首先从MMC的等效简化模型出发,建立考虑交流电网阻抗、锁相环特性、桥臂电抗器、平波电抗器在内的MMC型HVDC系统小干扰数学模型,研究实际MMC型HVDC工程系统谐振特性。其次,设计以抑制直流电流振荡为目的的MMC型HVDC附加阻尼控制策略,研     

中压应用场景下模块化多电平换流器直流侧谐波等值电路建模研究

本文首先建立了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的时域平均模型.接着,为获取中压应用场景下MMC平均开关函数的谐波特性,建立了平均开关函数的动态相量模型.基于MMC的时域平均模型和平均开关函数动态相量模型,推导得到MMC的直流侧谐波等值电路.等值电路由直流侧等效谐波电流源和等效谐波阻抗组成,其中等效谐波电流源不仅能反映MMC交流侧谐波电流对直流侧谐波电流的传递作用,还能反映直流侧特征谐波电流特性.最后,基于Matlab/Simulink仿真模型验证了MMC直流侧等值电路的正确性.     

基于阻抗法的光储逆变器交直流建模及耦合分析

在共母线式光储逆变器中,交直流单元通过直流母线电容连接。传统的逆变器建模方法将母线电容视为无穷大,认为交直流侧运行相互解耦。然而,当直流母线电容较小时,光储逆变器的交直流侧将产生交互影响,引起电流谐振。该文以单个单元稳定运行为前提,推导出直流共母线系统稳定性的合阻抗比（CIR）判据。该判据的数学形式便于利用Bode图对并联系统的谐振源进行分析与定位。首先,对光储逆变器交直流各单元进行阻抗建模,利用合阻抗比判据分析直流侧储能单元相对于光伏单元更易与网侧发生谐振。然后,通过在电流环路加入陷波器改善储能单元的阻抗特性。最后,仿真及实验结果证实了所提合阻抗比稳定性判据的正确性。     

多端柔直换流站高频谐振及传播机理分析与抑制

针对空载线路投入引起的多端柔性直流(modular multilevel converter multi-terminal direct current, MMC-MTDC)输电系统高频谐振的问题,首先建立了MMC高频简化阻抗模型,基于阻抗分析法分析了空载线路投入引发单个MMC发生高频谐振的电气机理,分析发现由于空载线路投入使得MMC交流侧等效阻抗在高频段呈现负阻尼,继而引发高频谐振。而后针对不同控制方式下的受端换流站进行联合建模,通过对高频谐振能量在站间的传播路径及其对受端MMC运行影响的研究,发现MMC交流侧高频谐振能通过直流线路对其他MMC产生影响,其影响程度与外环控制方式有关。针对高频谐振问题,采用电压前馈增设带阻滤波器的抑制策略,消除了MMC在高频谐振点的负阻尼,完成了对起振MMC的阻抗重塑,有效抑制了MMC高频谐振,并降低了高频谐振能量传播对其余MMC的负面影响。最后利用RT-LAB5600实时在线仿真平台,验证了MMC高频谐振分析方法的正确性与相应抑制方法的有效性。     

基于多频段动态相量法的MMC换流器建模方法

大规模交直流电网中,为了提高仿真速度,换流器通常采用外特性建模。动态相量法和频率偏移法是两种常用的外特性建模方法。传统的动态相量法能够增大仿真步长,但由于存在较大的谐波截断误差导致精度较差。频率偏移法仅用于以工频为主导频率的窄带信号,当信号含有较高频率成份时,无法适用。该文应用提出的多频段动态相量法,进行模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的外特性建模,实现仿真精度和速度的兼顾。该文首先建立MMC的开关函数模型,给出开关函数的高阶解析式,以此为基础,建立MMC换流器多频段动态相量频段耦合模型。然后,面向CPU的多核芯特点,分析MMC的运行特性,建立MMC多频段动态相量频段解耦模型,实现频段间的并行大步长仿真。最后通过仿真算例,与MMC详细模型进行对比,验证模型的有效性。     

MMC改进动态相量模型建模与仿真研究

提出了模块化多电平换流器改进动态相量模型的建模方法,并在理论上证明了改进动态相量方法与传统动态相量方法的统一性。该方法可避免积分与卷积运算,使MMC动态相量模型推导的工作量大大减小。所建模型将8阶MMC改进动态相量模型模块、交流接口模块、直流接口模块、MMC控制模块和二次环流抑制模块分开建模,当外接电路不同时,只需修改接口模块电气参数与控制模块中的控制策略即可,方便MMC与外电路连接形成多端网络。最后在稳态运行和换流站交流侧发生三相接地短路故障情况下,对比了Matlab平台建立的MMC动态相量模型与PSCAD平台建立的MMC电磁暂态模型的仿真结果,验证了所提方法的正确性。改进动态相量模型方法在获得较高精度的同时,可以大大加快仿真速度,节省仿真时间,使得该模型有望在大规模柔性直流电网建模仿真研究中得到更广泛的应用。     

柔性直流输电系统交流侧中高频谐振附加阻尼抑制措施

中国鲁西背靠背直流异步联网工程和渝鄂直流背靠背联网工程均发生过高频谐振现象,柔性直流输电系统的链路延时是导致高频谐振现象发生的关键因素.文中针对柔性直流输电系统的中高频谐振问题,基于谐波线性化方法建立了柔性直流输电系统从交流侧端口看过去的等效详细阻抗模型,并分析了模块化多电平换流器(MMC)阻抗在中高频段呈现负阻尼特性的原因.然后,对比分析了在电压前馈环节采用低通滤波器、带阻滤波器和非线性滤波器等控制方式对MMC阻抗特性的改善作用与谐波抑制效果,并提出3种附加阻尼控制器,分析了其对MMC阻抗特性的改善作用.最后,以鲁西背靠背直流异步联网工程广西侧模型为例,通过PSCAD电磁暂态仿真验证了详细阻抗模型的正确性和附加阻尼控制的有效性.     

基于模块化多电平换流器的直流电网小信号建模

该文提出交流系统三相平衡情况下基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流电网小信号模型通用建模方法。基于模块式的建模思想,将整个系统划分成交流系统、MMC和直流网络3部分,易于扩展,适用于任意拓扑的直流电网。建模过程中考虑了桥臂环流、子模块总电容电压等MMC内部电气动态和锁相环、统一控制器、环流抑制控制器、信号滤波环节等控制系统的动态,为分析各种参数对系统小信号稳定性的影响提供了基础。根据MMC内部电气量和交直流网络的耦合关系,推导MMC的交流侧和直流侧戴维南等效电路,基于等效电路构建MMC与交直流网络之间的连接方程。通过线性化各子系统和连接方程,构建全系统的小信号模型,无需手工推导矩阵的每个元素,大大简化了基于MMC的直流电网小信号建模。以一个四端MMC直流电网为例,通过对比电磁暂态模型与该文方法建立的状态空间模型和小信号模型的阶跃响应,验证所提建模方法的准确性。利用根轨迹和特征值灵敏度分析不同控制方式下MMC控制器参数对该系统小信号稳定性的影响。     

LCC-MMC串联型混合直流输电系统小信号建模

该文建立了整流侧为电网换相换流器(LCC)、逆变侧为LCC和模块化多电平换流器(MMC)串联的LCC-MMC串联型混合直流输电系统的小信号模型.首先,推导LCC的交直流侧等效电路和考虑内部动态特性的MMC的交直流侧等效电路;然后,基于等效电路构建系统整流侧模型和逆变侧模型,并对直流输电线路和控制系统进行建模,通过组合各个部分模型得到全系统模型;最后,通过线性化全系统模型得到全系统小信号模型.通过对比基于PSCAD/EMTDC搭建的电磁暂态模型验证小信号模型的准确性;基于小信号模型,分析MMC定直流电压控制参数、逆变侧LCC定直流电压控制参数、锁相环(PLL)参数和交流联络线参数对系统小信号稳定性的影响.该文所提出的LCC-MMC串联型混合直流输电系统的小信号模型可用于系统的小信号稳定性分析,从而为系统设计和参数选择提供有价值的参考.     

MMC电气系统动态相量模型统一建模方法及运行特性分析

该文提出模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电气系统在旋转坐标系下的动态相量模型的统一建模方法。该动态相量模型视交流电压在旋转坐标系下的坐标轴分量及直流电压作为电气输入量,以调制信号的基频分量及二倍频分量作为控制输入量。由于采用控制部分、MMC内部电气系统、外部电气系统分开建模的架构,所提出的动态相量模型可以方便地与外部控制系统及外部电气系统接口,从而规范化了MMC的动态相量建模。将所得的动态相量模型的微分项置零即可得到MMC电气系统的稳态相量模型,将动态相量模型在运行点处线性化即可得到MMC电气系统的小信号分析模型,从而统一了MMC电气系统的动态相量模型、稳态相量模型和小信号模型的建模。在所得的稳态相量模型基础上,论文进一步提出一种开环环流抑制策略以及考虑各种约束条件的MMC PQ运行区间分析方法,论文最后通过PSCAD/EMTDC下的仿真,验证MMC动态相量模型的精确性、开环环流抑制策略的有效性以及不同约束条件对MMC PQ运行区间的影响。     

向家坝-上海特高压直流输电工程直流回路的谐振研究

通过对换流阀、平波电抗器、直流滤波器(DCF)、输电线路等直流输电系统关键组成部分的研究, 建立了计算UHVDC 系统阻抗频率曲线所需要的模型。计算采用PSCAD/EMTDC 模拟, 换流阀、平波电抗器、DCF采用集总参数模型, 输电线路采用扩展Bergeron 分布参数模型。利用此方法, 完成了向家坝—上海特高压直流输电工程的阻抗- 频率特性曲线的计算, 并给出了长距离特高压直流输电工程发生直流谐振的解决方案。     

柔性直流输电系统接入交流电网的高频谐振风险运行方式辨识

柔性直流输电系统接入交流电网后存在高频谐振的风险,研究表明交流电网运行方式变化与高频谐振的产生存在内在关联。针对交直流系统中的高频谐振问题,首先构建了柔性直流输电系统直流侧和交流侧计及串补站的等效阻抗模型,分析了柔性直流输电系统接入交流电网的高频谐振机理。对柔性直流输电系统交流侧运行方式变化(特别是线路发生N-1、N-2故障)下等效阻抗的变化规律进行了理论分析和总结。此外,提出了一种柔性直流输电系统接入交流电网的高频谐振风险运行方式辨识方法,并以某地区电网局部交直流系统实际数据为例进行仿真,验证了所提辨识方法的有效性。     

电压前馈环节对MMC交流侧阻抗的影响研究

阻抗分析法被广泛应用于研究柔性直流系统的稳定性问题,而模块化多电平换流器(MMC)的阻抗模型是该分析法的理论基础。这里基于多谐波线性化理论,建立了考虑电压前馈的MMC交流侧阻抗详细模型,研究发现电压前馈导致MMC交流侧阻抗在高频段存在剧烈波动现象;建立了适用于分析MMC高频段特性的阻抗简化模型,基于该模型分析了电压前馈导致高频段阻抗存在剧烈波动的机理;研究了电压前馈环节对MMC-高压直流(HVDC)系统稳定性的影响,分析结果表明:电压前馈环节大幅削弱了系统稳定性,易引发系统发生高频振荡。最后实验验证了所建阻抗模型的准确性及相关理论分析的正确性。     

基于MMC的多端直流输电系统阻抗频率特性研究

文章研究了基于模块化多电平换流器的多端直流输电(modular multilevel converter-multi-terminal direct current,M M C-M TDC)系统在交流系统背景谐波作用下的频率响应特性。首先,分析了基于M M C的多端直流输电系统的阻抗频率特性,说明交流背景谐波引起直流网络谐振的原因。其次,分析了平波电抗器的电感值大小与基于M M C的多端直流输电系统的谐振频率之间的关系,可作为合理选择平波电抗器的依据,以避免直流网络在交流谐波互补频率处发生谐振。最后,通过在PSCAD中搭建基于MMC的4端直流输电系统仿真模型,验证了理论分析结果以及直流网络谐振频率和平波电感之间的关系。仿真结果验证了理论分析的正确性,并表明可以通过调节平波电感值来改变直流网络的谐振频率,以避免交流系统背景谐波引起直流网络的谐振。     

三相模块化多电平换流器动态相量谐波分析模型

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的拓扑结构,将内部的桥臂电流和子模块电容电压作为研究对象,通过引入平均开关函数,推导出最近电平逼近调制下MMC的时域模型,再将其展开成动态相量谐波分析模型,从而求解得到稳态时MMC的交直流侧各次谐波分量。然后在Matlab/Simulink中搭建了MMC的仿真模型,并用快速傅里叶变化(fast fourier transformation,FFT)对其进行谐波分析,从而验证所建立谐波分析模型的正确性。最后根据模型分析了交直流侧谐波的相互作用。该模型可为设计MMC的滤波器或研究其谐波抑制技术提供理论参考。     

基于谐波线性化的模块化多电平换流器阻抗建模

模块化多电平换流器(MMC)的小信号阻抗建模是分析含MMC的电力系统谐振及稳定性的关键。MMC是一个多频率、非线性、周期性时变的系统,具有复杂的内部动态特性,传统的小信号建模方法无法直接用于MMC。采用谐波线性化法对MMC的交流侧小信号阻抗进行建模,计及谐波环流和电容电压稳态纹波的影响,并揭示了环流控制对MMC交流侧阻抗的作用机理。利用MATLAB/Simulink搭建三相MMC详细时域仿真模型,仿真测量结果验证了解析模型的正确性。