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。     

基于谐波状态空间的MMC小信号阻抗建模

模块化多电平变换器(MMC)的小信号阻抗建模是分析基于MMC的电力电子系统谐振和稳定性的关键.针对MMC阻抗建模中不能全面考虑桥臂电流和电容电压中稳态谐波分量的影响问题,引入谐波状态空间(HSS)建模方法来描述多谐波耦合特性.首先对基于HSS的MMC模型进行了介绍.随后在提出的MMC HSS模型的基础上,建立了MMC的小信号阻抗模型,该模型能够包含MMC内部的所有谐波,并全面考虑了交流电压闭环控制方案对其影响.提出的模型揭示了MMC内部动态特性和控制动态特性对MMC阻抗的影响.最后,通过仿真和实验对所提出的阻抗模型进行了验证.     

考虑多频率谐波动态的模块化多电平换流器建模及耦合特性分析

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)复杂的电力电子化特征,使其与交直流电网间存在不易描述的多频率耦合现象。基于谐波状态空间原理建立起MMC主电路和包括电流矢量与环流抑制等在内的控制系统的小信号模型,通过二者的接口关系整合出MMC系统模型,其涵盖了多频率谐波的动态特性。以该模型为基础,提出MMC系统谐波传递函数计算方法,并根据谐波传递函数矩阵给出交、直流电流及MMC内部环流的谐波耦合阻抗全局关系,进一步分析了扰动谐波与这3组不同电流谐波分量的频率耦合特性。最后,通过电磁暂态仿真模型与文中建立的小信号模型进行不同工况下的仿真与计算的对比,验证了小信号建模的有效性和谐波耦合特性分析的正确性。     

风电场柔性直流并网系统镇定器的频域分析与设计

风电场经基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统(modular multilevel converter based high-voltage direct current,MMC-HVDC)并网时易出现次同步振荡现象。引入谐波状态空间建模方法建立了MMC的多频率耦合模型,在此基础上,利用谐波线性化原理推导了计及内部动态过程的MMC交流侧小信号阻抗模型。从阻抗特性的角度揭示了风电场经MMC-HVDC并网系统的失稳机理。在失稳机理分析的基础上,分别从风电场侧MMC换流站和风电场两方面提出了互联系统的镇定控制方法,并对控制参数进行了设计。基于Matlab/Simulink建立了风电场经MMC-HVDC并网系统的时域仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

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。     

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。     

基于谐波状态空间的模块化多电平换流器直流侧改进建模

目前谐波状态空间方法应用于模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter,MMC)时将控制系统和电气系统的建模统一集成到MMC系统状态空间方程的矩阵A中。该建模方法并没有给出便利的控制系统建模接口,不方便研究控制环节的影响以及不利于模型的扩展。提出了基于谐波状态空间的MMC直流侧闭环阻抗统一建模方法。该建模方法将电气回路与控制回路分别建模表示,控制回路的建模表现为电气状态变量到调制波信号的传递函数矩阵,最后通过调制波信号对电气回路的作用矩阵来实现MMC系统的整体建模。控制回路进行单独建模且并未引入新的变量,使得模型结构更加清晰,并省略了控制系统中多余的状态变量的建模。提出的建模方法还保持了谐波状态空间方法高精度的特点,为MMC的直流侧阻抗分析和参数优化提供了支撑。RT-LAB实时硬件仿真结果验证了所建立模型的正确性。     

单相接地故障下MMC入网电流耦合机理分析及小信号建模

电网侧发生单相接地故障会造成交流电压一定程度的跌落,此时可通过注入无功电流使模块化多电平换流器(MMC)系统实现故障下的低电压穿越。但接地阻抗会影响整个系统的拓扑结构,使各序网络之间相互耦合,因此对该条件下MMC系统的建模和稳定性进行分析至关重要。文中首先建立单相接地故障下MMC系统交流侧等效模型,并分析混合注入双序无功电流后的故障穿越过程。然后,基于MMC内部子模块电容电压和桥臂电流的动态特性建立MMC系统的小信号模型,并在分析系统失稳机理的基础上,利用根轨迹法分析阻抗参数和电流耦合对MMC系统小信号稳定性的影响。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建21电平MMC仿真模型,仿真结果表明,电网阻抗减小或接地阻抗增大使得系统趋于不稳定,负序无功电流注入使得正序无功电流稳定区域增大。     

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。     

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。     

双闭环定交流电压控制下MMC换流站阻抗建模及稳定性分析

风电系统接入基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流(HVDC)输电系统是极具前景的输电方案,同时也面临较为突出的系统稳定性问题。小信号阻抗分析法是研究互联系统稳定的有效办法。然而,MMC的内动态特性使得精确建立其阻抗模型具有较大难度。文中采用多谐波线性化方法建立了采用双闭环定交流电压控制的MMC送端换流站小信号阻抗模型,可实现电流环对MMC阻抗影响的准确分析。针对直驱风机通过MMC-HVDC系统并网的系统,利用阻抗分析法分别分析了MMC电流环不同控制带宽下互联系统振荡的问题,为电流环参数优化设计提供了依据。最后,基于MATLAB/Simulink的仿真结果证明了阻抗模型和稳定性分析理论的正确性。     

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。     

MMC的稳态相量模型及功率运行区间计算方法

模块化多电平换流器(MMC)的控制器输出量与MMC内部电气量之间存在复杂的耦合关系,难以确定影响其输出功率范围的关键因素及计算功率运行区间的边界.为此,首先以dq坐标相量的形式,推导出一种新的MMC的交流侧稳态等效模型,该模型为1个等效电容与等效电压源串联.模型参数可完全由控制器输出量和直流电压确定,从而将控制输出量与运行电气量解耦;等效电容直观地反映了MMC子模块电容充放电过程造成的换流器内部耦合特性对交流侧输出特性的影响.利用所提模型可以方便地计算得到MMC输出功率的P-Q曲线.然后,通过计算P-Q曲线族的包络线,提出一种确定MMC稳态运行区域边界的方法,并研究了环流抑制控制和交流系统短路比对运行区域的影响.最后,在PSCAD/EMTDC平台上搭建单端MMC仿真模型,验证了所提模型及稳态运行区间计算方法的正确性.     

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。     

MMC柔性直流输电系统换流阀开关频率优化方法

柔性直流输电系统一般采用模块化多电平MMC（modular multi-level converter）换流阀,换流阀开关频率的大小与系统损耗及交流侧谐波含量密切相关。推导了MMC开关频率与系统损耗及开关频率与柔性直流输电系统交流侧谐波含量的数学表达式;分析了MMC开关频率对系统损耗及交流侧谐波的影响规律。在此基础上,为了兼顾柔性直流输电系统的损耗和电能质量,采用遗传算法对开关频率进行了优化设计,根据工程经验对不同的优化目标赋予权值,根据国标要求设置了谐波和损耗的约束条件。仿真算例分析表明,采用优化的开关频率进行MMC变流控制时,柔性直流输电系统具有更佳的性能。     

地铁供电系统直流侧矩路暂态过程分析

24脉波整流系统因具有很强的削弱网侧谐波电流的功能,已广泛应用到城市轨道交通电网建设中.精确计算出该牵引整流系统的直流侧短路电流对设计短路时保护器件和相关电力设备是非常重要的.牵引整流系统直流侧短路可分为粘流所直流侧近端短路和牵引网远端短路.通过分析分别建立了近端短路暂态和稳态计算模型以及远端短路暂态计算模型,并通过Matlab对该模型进行了仿真,其结果表明了该模型的正确性.     

基于附加级联陷波滤波器的MMC-HVDC多频段谐振抑制策略

针对基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电系统（MMC-HVDC）存在的中高频谐振问题,建立了MMC交流侧阻抗模型,分析了MMC呈现负阻尼特性的关键因素,即延时、电压前馈环节是主导MMC中高频段呈现负阻尼特性的主要原因,功率外环对中频段阻尼特性有较大的影响。对此,提出了附加级联陷波滤波器配置方法以最大限度地衰减电压前馈和功率外环对MMC的阻尼特性影响,在此基础上,针对正负序控制器引发的阻抗波动性问题提出了附加阻尼反馈环节和内环附加级联陷波滤波器2种抑制策略消除特定多频段的谐振风险。最后根据奈奎斯特判据分析了采用抑制策略的MMC与电网交互的谐振稳定性,并在电磁仿真软件中验证了理论分析和抑制方法的正确性与有效性。     

基于连续模型的MMC环流谐振分析

模块化多电平变换器(MMC)未来在中高压能源转换领域潜力巨大。桥臂环流的存在是MMC区别于其它多电平变换器的重要特点,子模块电容和桥臂电感参数设计不合理会导致变换器发生环流谐振。首先,依据MMC连续模型,由桥臂电流和正弦调制的相互作用推导出子模块电容电压的解析表达式,子模块电容电压存在不同频率的交流波动分量进而导致桥臂电流中出现不同频率的交流环流;然后,通过分析不同环流谐振频率之间的关系得到避免2倍频环流谐振的元件参数设计依据。最后,利用Matlab/Simulink搭建MMC时域仿真模型验证了理论分析的正确性。