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。     

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。     

基于动态相量及传递函数矩阵的模块化多电平换流器交直流侧阻抗建模方法

该文提出一种模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)交直流侧阻抗的统一建模方法。动态相量被用于MMC的电气建模,该模型建立在旋转d-q坐标系下,并且考虑了环流动态。将线性化的MMC10阶动态相量模型通过拉普拉斯变换转换到s平面并与控制系统结合,得到代表MMC闭环控制动态的频域模型,在该模型的基础上,基于传递函数矩阵推导了MMC的交直流侧阻抗。与电磁暂态仿真的对比表明该文推导的交直流侧阻抗模型在1～3000Hz内具有较高的精度。最后,将建立的交流侧阻抗用于一起MMC高频谐振事故分析,将直流侧阻抗用于平波电抗器对双端直流输电稳定性的影响分析。分析结果进一步验证了所提模型的有效性,同时指出,高延时会导致高频振荡产生;过大的平波电抗器易导致HVDC出现直流谐振。     

海上风电场经MMC-HVDC并网的阻抗建模及稳定性分析

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)已成为大规模、远距离海上风电场并网的理想解决方案。但是由于MMC自身结构特点,当MMC-HVDC接入风电场时有可能发生振荡或不稳定现象。该文建立MMC的交流侧小信号阻抗模型,根据最小阻抗环增益的奈奎斯特(Nyquist)稳定性判据判断互联系统的稳定性,并预测系统潜在的谐振频率及稳定裕度。研究结果表明,适当的环流控制能够显著改善MMC的稳定性。基于Matlab/Simulink建立了21电平MMC及风电场的详细时域仿真模型,仿真结果和实际工程现场录波验证了理论分析的正确性。     

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。     

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。     

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.     

串联混合型直流输电系统的小信号模型及其稳定性研究

针对高压端采用电网换相换流器(linecommutated converter,LCC)、低压端采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)串联构成的串联混合型直流输电系统,该文建立了其状态空间及小信号模型。推导LCC与MMC在交、直流侧的数学模型,换流站间及换流站与交直流系统间的接口模型,建立包含LCC、考虑详细内部动态特性的MMC、直流输电线路、交流系统的串联混合型直流输电系统状态空间模型及对应的小信号模型,并与电磁暂态仿真模型的动态响应特性进行对比,验证所提建模方法的准确性。研究了受端交流系统强度对串联混合型直流输电系统小信号稳定性的影响,结果表明高压端LCC和低压端MMC之间的耦合作用在一定程度上降低了弱交流系统下串联混合系统的稳定裕度。     

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。     

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。     

MMC的交直流侧扰动特性分析

为规避模块化多电平换流器(MMC)带来的振荡失稳风险,对其交直流侧的受扰动特性进行深入研究。首先,基于桥臂电感和子模块电容的动态特性,建立了MMC的状态空间模型,其中特别考虑直流侧中点电位电压的影响。然后基于频率分量平衡原则,对正常工况以及交直流侧受扰动情况下MMC内部各变量的频率分量进行分析,并建立描述各变量扰动频率分量间对应关系的多频率扰动矩阵。在此基础上,通过时域仿真验证多频率扰动矩阵的准确性,并对次/超同步频段内MMC交直流侧的端口阻抗进行计算。最后,基于阻抗频率特性对MMC的交直流侧扰动放大效应进行分析。分析结果表明,MMC在次/超同步频段内某些频率下会放大系统扰动,且这些频率与系统参数有关。     

星形链式STATCOM直流侧输入阻抗及交直流功率耦合关系分析

星形链式静止同步补偿器(STATCOM)在交流系统发生故障时容易产生直流侧电压失稳现象,为其应用带来难题.首先引入相位补偿因子及电流交叉解耦环节推导交流侧输入导纳,通过对功率模组数学模型进行拓展分析推导直流侧输入阻抗.根据所得交流侧输入导纳及直流侧输入阻抗,建立交、直流侧电压扰动之间的关系,分析交、直流功率耦合关系.分析结果表明,交流侧电压扰动经交流侧输入导纳产生扰动电流,直流电压控制环对直流侧电压扰动的闭环控制也会产生扰动电流,2个扰动电流共同经直流侧输入阻抗形成直流侧电压扰动.采用经低通滤波的系统电压全前馈控制以及系统电压部分前馈控制策略进行实验验证,实验结果表明所提方法可以准确地分析交流系统故障下直流侧电压扰动水平.     

MMC-HVDC直流侧阻抗模型简化方法

目前大多数模块化多电平换流器(MMC)的阻抗模型过于复杂,而已有的模型简化方法大多针对时域状态空间模型,不便于谐振分析。因此,以定有功功率控制和定直流电压控制的MMC为例,提出MMC直流侧阻抗模型简化方法。首先对MMC直流侧阻抗进行详细建模,根据分析得到的等效电容在高频段的旁路特性,保留低频段下的阻抗详细模型,忽略对整体阻抗特性几乎没有影响的部分,实现阻抗模型的简化,并基于简化模型提取阻抗特性的关键影响参数进行稳定性分析。最后基于PSCAD/EMTDC平台进行仿真验证,仿真结果验证了所提简化阻抗模型的准确性,以及关键参数对系统稳定性影响的分析结果。     

双绕组交直流发电机直流侧突然短路分析

根据3／12相双绕组发电机的基本磁链方程和电压方程以及等效电路，该文建立了双绕组发电机交流侧带负载时直流侧突然短路的基本电压方程；通过进行适当的近似，用解析的方法分析了突然短路的过渡过程，给出了定转子时间常数的简明表达式和整流绕组交流侧的短路电流表达式以及直流侧最大短路电流的近似计算公式。在此基础上，研究了交流负载对直流侧短路电流的影响并给出了相应的物理解释。模拟试验结果表明：交流侧负载的大小对直流侧短路电流有较大的影响，而功率因数对直流侧短路电流的影响很小，验证了理论分析的准确性。     

含MMC的交直流输电系统短路电流统一求解方法

针对含模块化多电平换流器(MMC)的交直流输电系统短路电流水平校核问题,在考虑MMC的运行方式和控制系统的基础上,建立了MMC交流侧故障模型。在对比分析了同步机电源和MMC输出短路电流的机理后,通过近似求解并网点(PCC)处电压将MMC交流侧故障模型简化为电流源模型以实现PCC处电压和MMC输出电流之间的解耦。对支路进行合理编号并筛选出电源支路和待求短路电流所在无源支路,基于电网络理论将联络节点构成的无源网络用混合参数表征,经推导得到了含MMC的电网短路电流计算的统一求解方法。不同工况下的仿真结果表明,通过建立各控制策略下的MMC交流侧故障模型,所提算法能准确统一求解不同MMC交流侧故障下的短路电流,可用于含MMC的交直流输电系统的设备选型和保护系统设计。     

基于谐波状态空间的MMC背靠背直流输电系统阻抗建模及稳定性分析

研究了模块化多电平换流器（MMC）的背靠背直流输电系统的新型振荡问题。针对稳定性问题的分析需求,首先,建立了系统的时域稳态模型;然后,采用改进的谐波状态空间法（HSS）法建立了考虑谐波耦合特性的系统直流侧频域阻抗模型,详细分析了MMC电气参数、内部环流抑制、内环电流控制、外环不同控制方式、长链路延时等因素对直流侧阻抗特性的影响,通过合理的设计系统参数,保证系统的安全稳定运行;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,通过与电磁暂态模型扫频结果进行对比,验证所提出的阻抗模型以及稳定性分析方法的正确性。     

直流侧故障下MMC-HVDC输电线路过电压计算

针对基于模块化多电平换流器的高压直流（modular multi-level converter-high voltage direct current,MMC-HVDC）输电系统,为了快速而有效地计算其直流侧单极接地故障下直流线路最大过电压,详细地分析了几种相应的等效计算模型.首先,基于能量守恒定律,得到模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的等效模型I.在该模型中,MMC被拆分为直流侧等效电路和交流侧等效电路,其中前者由2个受控电流源和1个理想电容组成.其次,考虑到单极接地故障下MMC子模块电容电压几乎不变的特性,并且直流电缆可以使用π等效电路模型替代,就能得到MMC的等效模型Ⅱ.最后,基于时域仿真软件PSCAD/EMTDC搭建了400 MW/±200 kV数字仿真模型,验证了2种等效模型的有效性.     

基于电容能量的模块化多电平换流器次同步振荡抑制及其阻抗分析

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)易与风机和弱电网相互作用导致次同步振荡的情况,文中提出一种基于MMC电容能量控制的次同步振荡抑制方法。该方法通过控制环流的零序分量来调制MMC中储存的电容能量,使得电容能量根据公共连接点频率对次同步振荡进行阻尼。基于谐波状态空间理论建立考虑能量控制的MMC序阻抗模型,从交流侧阻抗角度分析能量控制对MMC动态的影响,并研究MMC与风机和弱电网相互作用导致次同步振荡的机理。分析结果表明,能量阻尼控制抑制了MMC阻抗中次同步频段的谐振峰;风电出力过大或电网短路比过小时,MMC易出现次同步振荡;在MMC采取定交流电压与定功率控制两种情形下,文中提出的能量阻尼控制都能有效阻尼次同步振荡。此外,理论阻抗建模及控制器性能都在电磁暂态仿真中得到验证。     

降低模块化多电平换流器子模块电容值的控制方法

模块化多电平换流器(MMC)因必须对子模块电容电压波动范围进行限制,导致所需的子模块电容值较大,带来较大的成本和体积问题。提出了一种降低MMC所需电容容量的运行方式和参数设计方法。所提方法将子模块电容电压直流分量的实际运行值适当降低一定的比例,使电容电压波动的最大允许幅度增大,使选择较小的电容值成为可能。详细分析了所提方法的运行方式。为使所提出的降低电容容量的运行方式能够更好地实现,还提出了一种可以实现交流端口电流、直流端口电流和内部环流解耦控制的桥臂瞬时电流直接控制方法。通过这一方法可以直接控制换流器的内部环流分量,并能够动态调节各桥臂子模块电容电压。通过RT-LAB平台对所提出的运行方式进行了详细的仿真研究,验证了其可行性和有效性。