基于单极MMC拓扑的光伏并网系统仿真分析

针对传统的二电平、三电平变换器不能满足高电压、大容量光伏并网发电系统的要求,以及一般MMC(模块化多电平换流器)不具备子模块保护能力的问题,提出一种具有子模块保护能力的单极MMC光伏并网系统。介绍了基于MPPT(最大功率点跟踪)技术的双闭环控制策略、光伏并网原理以及MMC换流器拓扑结构的特点、工作原理、调制方式。采用CPS-SPWM(载波移相正弦脉宽调制)方式来调制MMC,利用PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态仿真软件搭建9电平的MMC光伏并网模型。仿真结果表明,设计的MMC具有保护子模块的能力,CPS-SPWM调制方式谐波少、开关频率低,光伏阵列通过MMC平稳并网。     

MMC控制系统时序逻辑与子模块故障监测

对模块化多电平换流器(MMC)采用站级控制器、子模块控制器(SMC)和阀基控制器(VBC)3层控制系统。设计了SMC与VBC之间的时序逻辑,保证了控制系统的实时性。当硬件模拟电路检测到子模块出现过电压或者欠电压时,如果过电压或者欠电压时间超过20μs,则SMC将故障信息传送至上层控制,有效降低了保护系统误动的概率。对采用了上述控制系统的MMC物理模拟系统进行了稳态实验,实验结果表明,系统能够有效控制直流电压、输送功率,并使子模块电压稳定在150 V左右。     

新型模块化多电平变换器电容电压控制

模块化多电平变换器MMC通过子模块叠加可输出任意电平,根据拓扑结构和工作原理,提出了电压控制的MMC,它由向量控制器实现三相静止坐标(即abc坐标)向两相同步旋转坐标(即dq坐标)的变换,dq坐标控制整流器的交直流侧电压和无功功率控制.通过PSCAD/EMTDC仿真软件和搭建实验平台对所提出的控制策略进行了验证.     

模块化多电平变换器容错运行环流抑制策略

模块化多电平变换器(MMC)采用热备用的容错控制方案时,可实现系统的容错运行。当子模块发生故障时,系统直接旁路故障子模块,变换器运行在上、下桥臂不对称状态。为分析这种状态下MMC系统的工作性能,推导了MMC容错运行工作模式的数学模型,详细分析了桥臂电流以及子模块电容电压的波动情况。分析结果表明:MMC上、下桥臂不对称运行时,故障相间桥臂环流中的基频成分增加,该部分环流会流入直流侧;改变子模块的平均开关频率可抑制不对称运行所引起的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了31电平的MMC模型(其中含6个热备用模块)并进行了仿真,仿真结果验证了所推导结论的正确性。     

基于三电平子模块的倍电平复合式MMC变换器

为了降低模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的接线复杂度和通信失效故障概率,ABB提出了采用压接式IGBT串联的级联两电平CTL(cascaded two-level)变换器。由于桥臂子模块数由数百降为几十,CTL变换器输出电压电平数较少,需要在交流侧安装滤波器。为此,提出了基于三电平TL(three-level)子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC(voltage-level-doubler hybrid MMC)。每个桥臂有TL、半桥HB(halfbridge)子模块混合组成,且交流侧串联有一个全桥FB(full-bridge)子模块,输出电压电平数提高了1倍,从而省去了交流滤波器。各子模块具有脉冲自主触发功能且其功率开关由压接式器件串联组成,降低了桥臂子模块数,简化了控制器与主电路之间的接线复杂度,降低了通信故障的概率。单个功率开关短路故障不会影响系统正常运行,并且可避免了子模块电容的过度放电,保护电容器和功率开关,提高变换器的可靠性及故障穿越能力。所提拓扑结构实现了直流故障穿越运行,为HVDC换流站的设计提供了技术参考。     

基于FPGA的模块化多电平换流器并行化控制器设计及实验验证

模块化多电平换流器(MMC)中数以千计的子模块(SM)给控制器计算带来很大负担。海量数据采集、复杂控制计算以及不同控制器间通信等因素导致整个控制链路延时较长,恶化系统动态特性,甚至导致并网后系统不稳定。设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的集成控制器,在单块FPGA板卡中实现MMC的全部控制策略。控制器充分发挥FPGA的并行特性,每种控制模块尽可能采用并行设计,并将相互独立的控制模块并行执行,以提高控制器的计算速度。基于RTDS平台进行了硬件在环实验,对所开发控制器进行功能验证。结果表明：所开发控制器链路延时短,响应速度快,可用于控制策略开发测试、控制参数调试等领域。     

模块化多电平柔性直流输电新型控制策略

首先简要介绍了模块化多电平变换器(MMC)的工作机理;其次针对MMC电容电压平衡问题和环流抑制问题,提出一种基于CPSM调制的改进MMC相间环流抑制和电容电压平衡控制方法;最后,针对MMC-HVDC交流系统不对称故障,设计了基于无差拍控制的分序电流内环控制器和系统外环功率控制器。基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

基于RTDS的模块化多电平换流器子模块等效模型

采用模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电是目前最具前景的直流输电方式。MMC系统需要大量的子模块串联,这给实时仿真带来巨大挑战。文中在实时数字仿真仪(RTDS)中采用CBuilder建立了自定义子模块rtds_SM,不仅能够减少RTDS仿真中MMC子模块的占用资源,还能解决已有的MMC封装模块不能用于研究MMC系统子模块发生故障的特性及其控制保护策略的问题。对子模块中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、反并联二极管、电容进行建模,实现了用于子模块控制和保护的旁路开关以及旁路晶闸管模型。所建立的rtds_SM具有8个输入和2个输出,能反映子模块的各种运行工况以及子模块的电容均压控制。仿真结果表明,提出的MMC子模块模型占用仿真资源小且仿真精度高。     

基于CAN总线的电动机控制保护系统

介绍了基于控制器局域网CAN(C0ntroller Area Network)的电动机控制保护系统,详细论述了系统的功能、硬件设计和主要的软件流程等。该系统由监测控制中心、通信模块、数据采集控制模块组成,具有电机控制和保护、计量、通信功能,实现了对电动机自动化、智能化、网络化的管理。     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

柔性直流输电换流器子模块程序远程升级研究与应用

介绍了柔性输电领域的模块化多电平换流器及其控制系统架构,分析了换流器子模块的工作原理和子模块控制器的软件功能。针对工程现场需要升级程序的困难,提出了一种可以在换流器上使用的远程升级方法,研究了其硬件架构、换流器在启动过程中的程序升级方法和流程,分析了程序升级的安全可靠性,并在配套的多端动模实验系统上验证实施。     

MMC子模块控制器设计与测试

子模块控制器（ sub-module controller , SMC ）的控制保护功能对模块化多电平换流器直流输电（ modular multilevel converter based high voltage direct current ,MMC-HVDC）的运行有着极大的影响。首先,介绍了子模块与SMC硬件架构,开发调试了基于复杂可编程逻辑器件（ complex programmable logic device , CPLD）的SMC控制程序,研究了SMC与其上层控制阀基控制器（ valve based controller , VBC ）之间的协调控制以及子模块保护策略。最后对子模块进行了稳态的空载、带载实验以及MMC-HVDC物理模拟系统的系统实验,实验结果证明了子模块的性能良好,SMC可以与VBC进行有效通讯并可以对子模块进行有效控制保护以及稳态测试平台的有效性。     

基于算法优化的MMC子模块降频均压策略研究

伴随着应用电压等级不断升高,模块化多电平换流器子模块级联数目大幅增长,各子模块间的电容电压均衡问题尤为明显。高效的排序算法是作用于子模块电压均衡过程的核心模块,降低排序算法的时间复杂度可以有效减轻硬件控制器设计难度,提高系统可靠性。基于快速排序的Top K算法,在原有子模块投切策略基础上每轮排序只提取需要的前K个模块,并将有助于MMC均压的开关降频策略引入Top K算法进行深度优化,非全排序降频算法能够大幅减少排序次数,有效缩减程序仿真运算量。在多电平双端背靠背互联系统Simulink仿真模型中,验证算法封装子模块排序和降频实验效果良好。     

四端柔性直流电网物理平台研制及实验验证

为了开展直流电网故障传播特性和故障清除策略的实验验证研究,依托张北四端直流电网工程研制了四端柔性直流电网物理平台.该平台采用伪双极系统接线形式,各桥臂通过全桥模块化多电平换流器(modular mul-tilevel converter,MMC)子模块进行级联.在控制器架构方面,平台包括上位机、控制机箱、子模块机箱3级...     

基于改进快速排序算法的MMC均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于其自身具有输出电平数高、开关频率低、波形质量好等优势而被广泛研究和使用。子模块电容的电压均衡问题是MMC的重点研究方向之一。传统均压方法随着子模块数目增加,将极大增加开关元件频率损耗和控制器运算量。该文提出了一种基于改进快速排序算法的均压策略,通过实时监测子模块电容电压,设置子模块电压间的离散度指标,继而控制排序模块的开通和保持。同时,通过排序算法的优化,使控制器在多模块时计算效率大大增加,降低硬件要求。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建MMC-HVDC模型进行仿真验证。仿真结果表明,改进的均压控制方法能够在维持系统特性相对均衡的同时,有效提高运行速度,降低子模块开关频率。     

模块化多电平换流器的三轴解耦控制策略

通过对采用传统dq两轴解耦控制器的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的分析,揭示了直流端口电压和子模块电容电压的耦合效应,及其所引起的直流端口等效电容效应和子模块电容电压偏差效应.将上、下桥臂电压之和作为可变的直流内电势,并将直流电流作为新的内环状态量,提出了具有三个...     

模块化多电平变流器调速系统变频控制

模块化多电平变流器(MMC)凭借着诸多优势成为高电压大功率工况下的核心拓扑。但MMC变频调速系统运行于低频状态时存在桥臂能量分配不均衡、子模块电容电压波动严重等问题,不仅影响变频器全速域运行能力,甚至威胁系统安全。为解决上述问题,提出一种基于共模电压与偏置电压控制的MMC变频调速系统全速域运行方法,旨在通过控制系统各桥臂瞬时功率以快速抑制子模块电压波动。首先,构建系统数学模型,分析悬浮电容电压波动影响因素;其次,设计变频调速系统的低频控制器与在线模式切换环节;最后,为验证所提控制策略的可行性和有效性,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提控制策略能有效抑制MMC变流器子模块电压波动,完成不同频段平滑切换,降低系统损耗,改善系统输出品质,提升MMC系统安全运行能力。     

模块化多电平换流器小信号模型及开环响应时间常数分析

模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)由于其交直流电压由分散储能的子模块电容建立,因此分析其主电路参数与动态响应的关系非常困难。为给MMC-HVDC工程控制器的设计提供依据,分析此类系统一般运动模型和控制模型的建立过程,推导旋转坐标系下的子模块平均值受控源解耦模型和换流器状态空间方程;利用系统稳态工作点附近的小信号模型得到开环传递函数和动态响应表达式。最后针对中国电力科学研究院开发的MMC-HVDC动模仿真装置,利用经验公式和该文的方法分别计算开环响应时间常数,对比结果证明理论分析的正确性。     

基于RT-LAB的模块化多电平换流器半实物仿真平台设计

纯数字仿真软件不能真实模拟柔性直流输电系统控保装置响应特性,用其检验控制保护装置的总体功能,优化、验证控制保护参数存在一定误差,因此本文建立了一个基于RT-LAB的模块化多电平换流器半实物仿真平台,采用高速协议转换控制机箱实现数据合并以满足通信接口高速率的要求。针对控制保护装置性能,设计了站控和阀控的测试方案,并利用所搭建平台完成了对实际控保装置的相关动态性能测试和功能测试,验证了MMC半实物仿真平台的有效性以及测试方案的合理性,能达到检验控保装置性能的要求。     

基于改进冒泡排序的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)子模块电容电压均衡是当前MMC研究领域的热点问题。当MMC的单个桥臂子模块数量较多时,存在控制器运算时间长、子模块投切频繁和开关损耗大并导致MMC故障等缺陷。针对上述缺陷,提出了一种基于改进冒泡排序算法和平均值法混合控制策略。通过实时监测电容电压,采用改进冒泡法在初始化时对子模块电容电压进行排序,减少MMC控制器的运算量。在之后的控制周期采用已投入子模块平均值比较法对子模块作投切,降低开关频率。最后在Matlab/Simulink搭建21电平MMC模型,仿真结果验证了所提混合控制策略的有效性和正确性。