MMC-HVDC通用启动控制策略研究

在基于模块化多电平换流器高压直流输电系统(MMC-HVDC)正常运行之前需对换流器桥臂子模块电容充电,为了减少预充电阶段产生的电压电流冲击,需对系统的预充电启动策略进行设计。以电容电压实时排序算法为基础,分析了换流器不可控充电阶段特性。在可控阶段,根据子模块闭锁和旁路的运行状态提出了子模块的开环预充电方案,该方案适用于不同类型子模块且无需PI参数整定。最后,在Matlab/Simulink中搭建换流站预充电模型对所提策略进行验证。     

模块化多电平变流器预充电优化策略研究

模块化多电平变流器(MMC)正常运行前需将子模块电容电压预充电至额定值,所提预充电过程分为不可控预充电和可控预充电两个阶段。不可控预充电利用限流电阻和旁路开关有效降低充电电流幅值,通过分析等效充电回路,推导出限流电阻表达式。可控预充电阶段充分利用限流电阻的限流能力,通过控制策略进一步提升子模块电容电压至额定值。所提预充电控制策略结构简单、易实现,针对上、下桥臂充电不均衡和充电时间较长的问题给出了优化方法。最后,搭建三相MMC实验平台,实验结果验证了所提控制策略的有效性。     

MMC主动预充电策略研究

模块化多电平换流器(MMC)子模块依靠不控充电无法达到正常运行时的额定电压,在换流器解锁瞬间可能产生很大的冲击电流损坏功率器件,因此在解锁前需要将子模块电容电压充到额定值附近。此处分析了MMC启动时充电原理,提出了一种在子模块不控充电后利用交流侧电源进行主动预充电的方法。仿真结果表明,该方法显著减小了换流器启动冲击电流。     

适用于风电并网的模块化多电平柔性直流启动控制技术

详细讨论了适用于风电并网的模块化多电平柔性直流输电系统启动控制策略。启动控制的核心在于子模块电容充电,可分为不控整流和高频整流两个阶段。针对不控整流阶段,基于其数学模型给出了限流电阻选型依据以抑制风电场侧换流器在启动及控制系统解锁瞬间的冲击电流。针对高频整流阶段,提出了基于直流电压斜率控制的充电策略以避免系统侧换流器输出过流。所设计的两个换流器启动顺序控制流程在仿真平台得到了验证。     

基于混合直流换流器的海上风电送出系统的启动策略

混合型直流换流器由全控辅助换流器与二极管整流器并联构成,相比传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC),所需子模块数目大量减少,用于海上直流输电时的经济性显著上升,但目前针对该混合换流器的预充电尚无研究。为此,提出了混合直流换流器的启动策略。首先将混合换流器的启动分为不控充电与可控充电2个阶段,针对不控充电阶段分析了子模块电容电压之间的关系,并给出了限流电阻的计算方法。针对可控充电阶段,提出了2种不同的预充电方案。第1种方案依托于参数设计,方案简单有效,但降低了拓扑的模块性,提高了应用成本。第2种方案依托于环流控制,可以不用降低拓扑的模块性,但流程更加复杂,充电速度较慢。最后在MATLAB/Simulink中构建了混合换流器模型进行仿真,仿真结果验证了启动策略的有效性。     

模块化多电平柔性直流输电系统的启动策略

分析了阀侧接地与不接地两种模块化多电平柔性直流输电系统(MMC-HVDC)拓扑结构的充电过程,根据其不同的充电回路分析了直流电压以及桥臂子模块电压和的充电稳态值。提出了调制波预跟踪策略,即在解锁前实现调制波与阀侧电压的跟踪,为减少解锁时带来的冲击电流做好准备。针对定直流电压站与定功率站,分析了解锁时冲击电流的来源,设计了相应的解锁策略,通过主动充电方式以提高子模块在充电阶段的电容电压,有效地减少了在解锁时带来的冲击电流。最后,在PSCAD上搭建了两端MMC-HVDC模型,仿真结果验证了所述策略的有效性。     

混合型模块化多电平换流器启动冲击电流特性分析及控制策略

启动控制是模块化多电平换流器(MMC)正常运行的基础。半桥型和全桥型子模块构成的混合型MMC,在预充电阶段存在电容欠电压且电压不均衡现象,导致换流阀受控充电解锁后出现桥臂过调制和冲击电流。该文首先针对混合型MMC的拓扑结构,分析半桥型和全桥型子模块预充电电压特性及其等效电路,提出两类模块电容电压计算方法。利用全桥型子模块负电平输出特性,提出一种交流侧受控充电启动策略,能够在电容欠电压条件下避免换流器过调制从而抑制冲击电流。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了换流阀启动特性的正确性和所提出的启动控制策略的有效性。     

MMC-MTDC系统协调启动控制策略

为快速平稳的启动基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(modular multilevel converter-multi-terminal direct current,MMC-MTDC),避免各站启动时序配合不当引起大的电气冲击甚至启动失败,提出了MMC-MTDC系统协调启动控制策略。首先,指出MMC存在交流侧、直流侧和交直流侧混合3种预充电方式,基于其充电机理,设计了预充电方式识别方法,提出了可将子模块充电至额定电压的闭环均压充电策略;其次,研究了多端系统启动时序的有效配合方案,提出了基于直流电压斜坡控制方式的并联式MMC-MTDC系统协调启动控制策略;最后,通过Matlab/Simulink构建三端系统进行仿真。结果表明:闭环均压充电方法能自动适应MMC 3种预充电方式,使子模块平稳充电至额定值;协调启动策略则能很好的实现多端系统平稳解锁。     

一种模块化多电平换流器交流侧预充电可控充电策略

为解决模块化多电平换流器在充电阶段过渡时易出现的电流过冲问题以及因不当投切引起的模块过充问题,深入分析了换流器内子模块电容的预充电过程,并根据子模块电容的充电特点提出了一种适用于可控充电阶段的有源交流侧均衡控制充电策略。通过母线电压定斜率控制固定上、下桥臂的子模块投切数目,避免数目突变。同时在充电过程中为使各臂子模块电容电压可准确跟踪其参考值,考虑了环流压降对桥臂子模块充电的影响,引入环流稳压控制环节对臂间子模块投切比例进行动态微调,从而保证子模块充电效果,提高相间充电一致性。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端有源换流器预充电仿真模型验证了上述充电策略的有效性,该策略控制下电容电压及直流母线电压平稳抬升,系统实现由不可控充电阶段到可控充电阶段的安全过渡。     

模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制

介绍了模块化多电平换流器型直流输电系统(modularmultilevel converter based high voltage direct current system,MMC-HVDC)的起停控制策略。启动分为不控启动阶段和可控启动阶段,对不控启动阶段模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)的等效电路进行数学建模,得出了限流电阻与最大充电电流之间的数学关系,为限流电阻的选取提供了理论基础。停机分为能量反馈阶段和放电阶段,能量反馈阶段将MMC各子模块电容存储的能量部分反馈回电网,充分利用了MMC子模块储能的优势,提高了能量的利用率。放电阶段,通过一定的触发方式,逐步将能量耗散掉,该方法有效地降低了放电电阻的功率、阻值和耐压水平。最后,对建立的两端有源网络的MMC-HVDC系统进行了数字仿真,仿真结果验证了该启停控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器启停控制策略

为了平稳快速地启停模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter MMC),提出了可应用于有源或无源网络的MMC启停控制策略。启动控制策略和停机控制策略均可分为不可控和可控两个阶段,其中可控阶段可进一步分为直流电压可控和功率可控阶段。在不可控阶段,修正了启动过程的限流电阻参数,提出了停机过程的放电电阻选取原则。在直流电压可控阶段,采用子模块电容电压、投切数与直流电压协调控制方法,计算出启动时的直流电压跌落值和停机时的能量反馈比。在功率可控阶段,根据MMC应用于有源和无源网络控制策略的不同,提出了相应的策略。最后基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了所提启停控制策略的有效性和正确性。     

载波移相调制模块化多电平换流器双均压系数电压平衡方法

模块化多电平换流器的启动和运行分为不可控预充电、可控预充电和正常运行3个阶段,3个阶段内的子模块电容电压平衡是其安全稳定运行的前提和关键。针对采用载波移相调制的MMC提出一种对3个阶段均适用的新型电容电压平衡方法。在分别研究3个阶段的电容电压不平衡机理的基础上提出基于平均值均压系数的电容电压平衡方法。利用每个子模块电容电压和所在桥臂电压平均值求得均压系数k1i、k2i,根据k1i微调取能电源内MOSFET占空比实现不可控预充电阶段电容电压平衡,根据k2i微调子模块内IGBT占空比实现可控预充电和正常运行阶段电容电压平衡。最后,通过单相3电平MMC实验样机验证所提电压平衡方法的可行性和有效性。     

一种新型的混合MMC预充电策略

模块化多电平换流器(MMC)的预充电是保证MMC-HVDC系统正常运行的基础,其中同时包含全桥子模块(FBSM)和半桥子模块(HBSM)的混合型MMC拥有较强的直流故障穿越能力而成为研究的热点.由于全桥子模块和半桥子模块的充电特性不同,子模块(SMs)的电容器电压在不受控制的预充电过程结束时可能会有所不同.通过分析指出了混合型MMC常规不控充电策略的缺陷,然后提出了一种三阶段预充电策略.该策略可以消除不同类型子模块的电容电压不平衡,解决了半桥子模块预充电过程中自取能量不成功的问题.最后,基于所提出的策略对不受控预充电过程进行了仿真和分析.     

基于负直流电压控制的MMC快速无闭锁故障穿越策略

传统半桥子模块无法阻断直流短路电流,基于新型子模块的闭锁式故障穿越策略则存在换流器不可控、系统重启过程复杂等缺点,降低了模块化多电平换流器的可靠性。为此提出了一种基于负直流电压控制的无闭锁故障穿越策略,在直流侧短路后通过调制波下移将直流电压控制为负值,从而实现直流故障电流的快速清除。此外,针对无闭锁故障穿越过程中输出正负电平子模块之间电容电压不均衡的问题,提出了双排序控制算法以实现电容电压的快速均衡,同时设计了从故障发生至换流器重启整个过程中系统的无闭锁故障穿越流程。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,基于负直流电压控制的无闭锁穿越策略可快速阻断直流故障电流,在此过程中子模块电容电压保持均衡,可实现换流器的快速重启。     

LCC-MMC混合级联型直流输电系统启动控制策略研究

为实现逆变侧采用电网换相换流器(line commutated converter, LCC)和多个并联模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)阀组串联的混合级联直流输电系统的安全、可靠启动,提出了一种按照不可控充电和系统控制解锁两阶段划分的启动控制策略。首先建立该类混合结构下直流系统的数学模型。在对低压端MMC不可控充电阶段暂态特性分析的基础上,推导了MMC最大启动冲击电流和预充电时间的等效计算公式,并根据最大冲击电流和预充电时间为MMC启动过程中限流电阻的选取提供依据。其次,在系统级控制器解锁至系统稳态运行阶段,针对MMC并联组在控制器解锁时产生的不平衡启动电流问题进行了分析,提出一种基于不同换流器间控制时序配合与自适应MMC功率参考值的启动优化策略。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真结果表明,所提启动方案可以有效实现混合级联型直流输电系统的平稳启动。     

基于箝位双子模块的MMC-HVDC起动控制策略

分析了基于箝位双子模块的MMC-HVDC正常自励起动过程,将起动过程分为两个基本阶段,即不控充电阶段和可控充电阶段。利用电路原理方法化简了不控充电阶段的系统等值电路,推导了最大充电电流与限流电阻之间的关系,并指出在该阶段由于二极管箝位作用电容无法充电至额定状态。设计了三种可控充电方法以对电容继续充电获取足够的能量,其中方法一利用直流电压控制器和调制均衡策略,而方法二和方法三则通过改变充电回路中等效内电势和等效电容实现电容完全充电。为充分发挥系统故障穿越能力,设计了直流侧暂时性和永久性故障后的系统自动再起动控制时序。在PSCAD/EMTDC中搭建两端有源的MMC-HVDC系统,仿真结果表明所提出的起动控制策略效果良好。     

模块化多电平柔性直流输电系统的直流侧启动方法研究

模块化多电平换流器的启动是系统正常运行的前提和基础,也是柔性直流输电系统运行过程中的重要环节。换流器交流侧为无源网络或待启动的有源网络时,启动过程需要增加辅助电源,增加成本和工作量。提出一种直流侧充电启动方法,通过不控整流预充电后子模块数递减方法解锁使子模块电容电压达到预先设定值,无需增加辅助电源,能有效限制充电过程中的电压和电流冲击。在PSCAD/EMTDC中搭建两端柔性直流输电系统模型,验证了该方法的可行性和有效性。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

一种新的柔性直流输电系统远端启动策略

模块化多电平换流器(MMC)的启动是MMC柔性直流输电系统工程应用首先需要面临的问题,针对采用MMC结构的两端或者多端柔性直流输电系统,提出了一种新型的有序解锁启动方法,以减少传统充电方式下换流阀解锁瞬间的直流电压跌落和桥臂电流冲击。该方法在传统不控充电过程后,先解锁定直流电压换流站,再对其他换流站进行远端充电,期间其他换流站的桥臂按其子模块电容电压高低顺序逐步减少投入充电的子模块个数,以此不断抬高子模块电容电压,在电容电压到达一定数值后再解锁换流站。通过理论分析计算了本方法最大的电压跌落,并通过PSCAD/EMTDC仿真验证了该方法的有效性和优越性。此外,新的远端启动控制策略对多端柔性直流系统的定功率换流站启动顺序和启动时刻没有特殊要求,并针对单桥臂进行设计,可以重复应用于各桥臂,因此,其适用于实际工程中的多端柔性直流系统远端启动和交流系统故障造成无源端闭锁后的在线重启动。     

一种新型模块化多电平交流侧预充电控制策略

模块化多电平换流器(MMC)具有开关频率低、运行损耗小、波形质量高、子模块易扩展、故障处理能力强等特点,在学术界和工业界得到越来越多的关注。MMC正常工作前必须要进行预充电控制,即将子模块电容电压充至额定电压值,其目的是降低冲击电流,避免设备损坏,保证系统正常运行。此处提出一种新的交流侧预充电控制策略,首先通过子模块电容电压闭环控制得到子模块的充电功率,然后通过功率守恒得到交流电网释放的总功率。同时在充电过程中考虑桥臂内均压和桥臂间功率差控制,最终实现上、下桥臂子模块电容电压一起充电。通过实验验证所提策略的正确性。