柔性中压直流铁路牵引供电系统分布式协调控制策略

柔性中压直流铁路牵引供电系统可缓解传统工频单相交流25 kV铁路牵引供电系统存在的电能质量问题并取消电分相。针对柔性中压直流铁路牵引供电系统中并联牵引变电所的协调控制问题,提出了一种分布式协调控制策略。该控制策略由两级控制组成,牵引变电所的一级控制通过下垂控制实现负载功率的一次分配。二级控制与相邻牵引变电所进行信息交互,利用有限时间一致性算法,实现各牵引变电所输出电压平均值二次调节。该控制策略在维持牵引网直流电压稳定的同时,实现负载功率的就近分配,减小了系统供电损耗。当某牵引变电所超负荷或故障退出时,可由距其最近的牵引变电所补充出力,避免供电中断事故,提升了牵引供电系统的供电可靠性。进一步地,建立详细的柔性中压直流铁路牵引供电系统仿真模型,模拟真实的机车运行工况,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

一种基于滑模观测器的动车组整流器控制策略研究

为改善车网耦合系统在多工况运行下的直流电压抗干扰能力,提出了一种基于滑模观测器的动车组网侧整流器滑模控制策略(sliding mode control method based on sliding mode observer, SMO+SMC)。首先,通过建立CRH3型动车组在dq坐标系下的数学模型,推导了滑模观测器的设计方程。接着,利用滑模观测器实时观测牵引电机输出功率后间接得到整流器直流侧电流,将滑模观测器的输出提供给滑模控制的外环电压控制模块,实现滑模观测器和滑模控制的结合。最后,将PI、滑模控制和SMO+SMC策略分别应用于CRH3型动车组仿真模型,对多工况下整流侧直流电压控制效果进行分析验证,并基于HIL小步长实时仿真测试平台进行了半实物实验。仿真和实验结果表明,SMO+SMC策略可以提高动车组运行速度改变时的直流电压抗干扰能力和车网耦合运行时网侧电流的稳定性。     

应对柔性直流电网线路故障的混合型MMC直流电压目标预设控制

随着国内外基于混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的架空线柔性直流输电工程的建设,研究其直流故障穿越控制技术将具备较大的工程应用价值。为减小故障电流峰值,且加快故障清除后直流电网功率恢复速度,提出一种适用于混合型MMC的直流电压目标预设控制策略。其充分利用了混合型MMC的宽范围直流电压输出能力,通过预先设定的直流电压目标控制曲线,优化直流电压站在直流故障发生后的暂态特性。进一步研究直流电压目标预设控制的基本原理与具体实现方式。针对直流电压目标预设控制分别在两端柔性直流输电系统以及直流电网中的应用,讨论故障期间电压站直流电压预设指令值的选取方法,分析比较不同直流电压预设控制曲线对故障后直流母线电压跌落、直流母线电流峰值以及直流功率恢复时间的影响。仿真分析表明,直流电压目标预设控制能够在一定程度上降低直流故障峰值电流,并较为明显的加快直流故障清除后直流电网功率恢复速度,具备一定的工程应用前景。     

一种MMC-HVDC的直流电压波动抑制新方法

针对柔性直流输电系统常规直流电压波动抑制算法中存在的缺陷,提出一种适用于模块化多电平换流器型高压直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)的直流电压波动抑制方法。该方法利用MMC特有的“储能”特性,在交流系统不对称时,控制 MMC 交、直流侧瞬时有功功率不再平衡,从而实现MMC交流侧电流依然保持对称运行,同时直流侧电压、电流和功率保持为恒定。为了实现上述控制功能与目标,建立三相交流系统不对称时 MMC 直流回路的模型,设计αβ0坐标系下以比例谐振调节器为基础的控制策略,且探讨MMC-HVDC中的协调控制问题。最后,搭建71电平背靠背 MMC-HVDC 系统模型进行数字仿真,结果验证了所提控制方法的有效性。     

用于城轨直流牵引系统的混合型MMC全桥子模块比例设计方法

城市轨道交通直流牵引供电系统是一个低电压大电流系统,受制于开关器件的通流能力,两电平变流器的单台容量难以满足需求。由全桥子模块和半桥子模块组成的混合型模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）可用于调制比大于1的系统中,利用全桥子模块的负电平输出能力,可以提高交流电压或降低直流电压。针对可用于城市轨道交通直流牵引供电系统的混合型MMC,提出一种全桥子模块比例的设计方法,满足高调制比稳态运行的需求和直流故障清除能力的需求,选取了常见的1 500 V地铁系统作为算例,选取3组参数,在PSCAD软件中搭建仿真模型,验证了设计方法的正确性。     

基于MMC子模块两级主动控制的直流短路限流方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)直流侧故障后短路电路急剧上升,严重影响直流电网安全。为限制故障电流,提出一种基于子模块两级主动控制的直流短路限流控制方法(submoduletwo-stage active control,STAC),通过两段故障检测判据和预设最大短路电流,构造关于直流电流的分段函数K,其输出决定减投子模比例,故障后降低直流电压抑制短路电流,同时设计适应于不同运行条件换流站MMC的控制参数,并且仅通过控制动作限流不产生额外成本。STAC不影响系统正常运行,限流过程维持功率传输。最后在四端直流电网中对STAC限流效果及其性能进行仿真分析。结果表明,所提限流方法能有效抑制故障电流,流经直流断路器故障电流降低49.7%,桥臂电流峰值降低23.15%,故障后100 ms恢复直流电压。     

自耦变压器供电方式的电牵引供电系统中的机车驱动谐波污染仿真研究

为了减少电气化铁路对其沿线的通信系统造成的干扰，电牵引供电系统可以采用自耦变压器供电方式。本文分析了此系统中的机车驱动谐波污染情况，建立了SS4型电力机车、牵引网及牵引变电所的模型，并通过MATLAB仿真计算出在多机条件下电力机车、牵引网及牵引变电所中的谐波电流及其谐波含量。     

新型双边供电系统谐波谐振特性分析

为研究双边供电系统的谐波谐振发生机理,介绍了一种在牵引馈线串接电抗器的新型双边供电系统的结构与工作原理,通过建立系统谐波沿牵引网传输的数学模型,分析了系统谐振发生机理,通过搭建系统仿真模型,研究了在不同条件下新型双边供电系统的阻抗频率特性以及高次谐波电流在牵引网中的传输特性。分析结果表明,牵引网长度越长,新型双边供电系统的谐振频率越小;当注入与系统谐振频率相近的谐波电流时,系统将发生谐振现象,谐波电流向两侧牵引变电所传输过程中均发生严重放大。     

基于MMC离散数学模型的MMC-HVDC系统直流电压控制

在模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中,针对阀控层的直流电压控制,在载波移相调制方式的基础上,提出了改进型子模块电容电压均衡控制方法,以降低开关器件的开关频率。针对极控层的直流电压控制,推导了稳态时MMC电流离散数学模型,设计了电流内环离散控制器,实现了系统直流电压控制和功率解耦控制。为抑制由交流系统故障引起的直流电压波动,提出了含直流电压控制环节的外环有功功率控制器,以提高系统的持续运行能力。算例仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于改进型单周控制的MMC系统三相不平衡控制法

为了应对模块化多电平(MMC)系统在三相电网不平衡条件下的运行,本文提出了一种改进型单周控制法,在基本单周控制的基础上使用网侧负序电压来补偿MMC网侧电流反馈量,避免了三相电流的正负序转换运算。同时加入虚拟循环映射方案进行子模块电容均压。本方法相比现有的MMC不平衡控制策略,简化了控制环节,参数设计较为容易。三相电压跌落仿真结果表明,本文提出的控制方法不仅能够实现MMC在三相不平衡时的单周控制,降低直流电压中两倍于基频的谐波,使电网输出的有功功率趋于稳定,而且可以使子模块电容电压自动达到均衡,减少了系统的器件损耗。     

极弱受端交流系统下LCC-MMC型混合直流输电系统的附加频率-电压阻尼控制

针对换相换流器(LLC)-模块化多电平换流器(MMC)型混合直流输电系统在联接极弱受端交流系统时容易出现的系统小信号失稳现象,提出一种附加频率-电压阻尼控制(SFVDC)。该控制方法基于逆变站模块化多电平换流器锁相环的角频率偏差信息产生附加直流电压阻尼分量,引入外环定直流电压控制器中,用以抑制极弱受端交流系统时LCC-MMC型混合直流输电系统的小信号失稳现象,从而提升系统的小信号稳定性。结果表明,所提出的SFVDC方法能够有效地抑制极弱受端交流系统下容易出现的系统小信号失稳现象,降低了系统稳定运行对于受端交流系统强度的要求,同时能够保证系统在较大的功率扰动下也具有良好的动态响应特性,在受端交流系统故障情况下具有良好的故障恢复特性。     

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。     

基于模块化多电平换流器的牵引供电系统电能质量治理方法

针对铁路牵引供电系统高压大功率的特点,基于模块化多电平换流器(MMC)设计了两相三桥臂功率调节装置,以消除铁路牵引供电系统中负序、无功功率及谐波电流。分析了机车负载电流在旋转坐标系下的特点,使用了一种基于二阶广义积分器及直流积分器的信号提取方法,可以快速地得到功率平衡及无功功率、谐波消除的补偿信号。设计了静止坐标系下基于MMC的两相三桥臂铁路静止功率调节装置的控制系统,最终,通过实时数字仿真系统(RT-Lab)进行实时仿真及样机实验,验证了算法的有效性及系统的补偿性能。     

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.     

大规模风电接入的柔性直流电网故障电流协同抑制方法

基于模块化多电平换流器(MMC)柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、多能互补和友好型并网的有效手段。针对直流断路器大电流开断成本高和技术难度大的问题,提出了一种适用于大规模风电接入的柔性直流电网故障电流协同抑制方法。通过分析直流故障特性,揭示了故障电流的关键影响因素,在此基础上,提出了MMC主动限流控制方法,并针对网侧和风电场侧换流站分别设计了参数选取原则,其中网侧换流站的限流性能可自适应于直流母线电压,在抑制故障电流的同时兼顾直流电网的快速恢复。针对风电场侧换流站,提出了集成限流功能的耗散电阻配置方法,使其同时具备解决直流电网功率盈余问题和降低桥臂换流阀电流应力的能力,并提出了其与主动限流控制以及直流断路器的协调配合方法,在保证风电场安全运行的同时协同抑制故障电流,从而降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。最后,基于RTLAB OP5600实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于变压器延边三角形接法的城轨24脉波整流机组的研究

分析了城轨交通牵引供电系统中基于移相整流变压器网侧绕组延边三角形接法的24脉波整流机组工作机理,对移相变压器的移相及其对网侧电流谐波相消进行了公式推导。基于Matlab/Simulink构建城轨24脉波整流机组模型并仿真。对整流机组网侧和直流侧的电流谐波进行FFT分析,得出其分布规律,验证了所推导的谐波电流相消公式的正确性。最后对整流机组输出的直流电压纹波系数进行计算,计算结果表明其输出的直流电压能够满足牵引网直流母线电压所需的供电质量要求。     

基于混合型MMC和直流开关的柔性直流电网直流故障保护研究

提出了采用混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter,hybrid MMC)和直流开关构建柔性直流电网进行架空线远距离电能传输的方案。针对由全桥型子模块和半桥型子模块组成的混合型MMC,分析了其拓扑结构、基本运行原理和直流电压运行区间,提出了混合型MMC的三自由度控制架构,并详细分析了直流故障穿越控制策略,进而设计了混合型MMC构成的柔性直流电网的故障清除策略和多次重启动时序。故障期间,混合型MMC无须闭锁IGBT,可控制故障电流至0,从而保持不间断运行、持续向交流系统提供无功支撑。3次重启动失败后,架空柔性直流电网配置的直流开关在零故障电流下开断以隔离故障电流通道,直流电网重启,线路潮流发生转移。最后在PSCAD/EM TDC仿真平台验证了所提出的故障清除策略及重启动时序的可行性。     

“车-网”耦合系统谐波特性测试与评估

城际动车组的大量投入使用,使电气化铁路牵引供电系统发生谐波谐振,严重损坏车载设备以及地面设备,因此有必要深入研究“车-网”系统下的谐波问题。为此,基于相关国家电能质量标准,采用广域分布式电能质量监测系统,对国内某城际动车组与牵引变电所展开同步测试,定量评估不同运行工况下整车谐波电流发射特性。此外,基于车辆运行期间牵引变电所馈线谐波电流,评估城际动车组谐波在牵引供电系统中的传递特性与分布规律。     

基于MMC铁路功率调节器的环流分析与抑制策略

采用模块化多电平换流器构造的新型铁路功率调节器(MMC-RPC)实现牵引供电系统电能质量问题综合治理具有诸多优点,但MMC结构特点会导致MMC-RPC存在环流问题。因此通过对牵引供电系统补偿原理的分析,结合MMC-RPC补偿电流特点,建立单相MMC的数学模型,分析了环流产生的机理。在理论分析的基础上,采用比例–积分–复数积分控制器设计了一种适用于MMC-RPC单相系统的环流控制器。最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,计算与仿真共同验证了MMC-RPC存在偶数倍频环流,其流入直流端会引起直流电流和电压的波动,仿真说明了本文环流控制能策略有效抑制环流。     

计及直流电压控制的MMC换流站阻抗建模及其稳定性分析EI北大核心CSCD

多端柔性直流系统直流母线的动态特性对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)换流站阻抗特性及系统稳定性存在较大的影响,然而目前大多数针对柔性直流系统稳定性分析的研究,将直流侧简化为直流电压源,导致研究结果在某些工况下缺乏实用性。文章采用多谐波线性化方法,建立考虑直流电压控制的MMC序阻抗模型,说明考虑直流电压控制对准确分析并网系统稳定性问题的必要性,讨论直流电压控制参数的影响因素,探究直流电压控制参数的稳定边界条件,并提出两种基于直流电压控制的MMC阻抗优化方法,实现了并网系统稳定性的有效提升。论文在Matlab/Simulink中搭建考虑直流电压控制的MMC-HVDC并网站仿真模型,对其序阻抗模型、并网稳定性分析及阻抗优化与重塑方法进行验证。