柔性直流电网的快速电磁暂态仿真

柔性直流电网含多个模块化多电平换流器与直流断路器,需要快速准确的换流器与直流断路器仿真模型。为提高模块化多电平换流器的仿真速度,利用电容能量均分的思想简化子模块均压策略,并准确保留桥臂闭锁与不闭锁时的外特性,提出了一种能量均分模型。针对级联全桥型直流断路器,给出一种断路器支路子模块串等值电路简化方法,提出了一种快速仿真模型。在PSCAD/EMTDC中搭建模型并进行了电磁暂态仿真,验证了所提出模型的准确性与快速性。     

基于新型四电平子模块拓扑的多电平整流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)基于其模块化的结构,能够在较低的开关频率下输出更高电压电平数来逼近正弦波形,使得其在高压大功率直流输电系统应用背景下比传统电压源换流器更可行。传统MMC子模块可以输出0、1两种电平,而本文提出了一种能够输出0、1、2、3四种电平的新型子模块拓扑结构,在换流器需要达到相同输出电平数的条件下,基于新型子模块的MMC级联子模块数量仅仅为基于半桥子模块MMC的2/3,能够可观的减小换流站体积。同时,IGBT开关数量相比半桥子模块MMC系统减少了1/6。在Matlab/Simulink中将最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略及改进的电容电压均衡策略应用于新型子模块拓扑,仿真结果验证了其有效性。     

优化模型预测控制与级联控制策略下MMC运行特性对比

对于模块化多电平换流器,模型预测控制具有预测状态多,计算量庞大,现有处理器无法实现的缺点。为此,结合子模块电容电压排序算法,提出一种优化的模型预测控制策略,大幅减小了模型预测控制算法的计算量,使得该算法应用于模块化多电平换流器成为现实。搭建了23电平模块化多电平换流器仿真与实验平台,并与目前常用的基于比例积分(proportion integration,PI)级联控制器的闭环矢量控制策略进行了对比,结果验证了所提策略的可行性与优越性。     

基于电路等效变换的二极管箝位式模块化多电平换流器电磁暂态并行仿真模型

针对模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）常规电磁暂态仿真模型计算资源消耗较大的问题,基于电路等效变换原理,提出了二极管箝位式模块化多电平换流器电磁暂态仿真的并行等效模型。首先将换流器子模块等效为受控源,实现子模块与换流器主电路的解耦,便于应用并行计算方法;其次根据子模块电路结构预先分析出各种可能的工作模式,以避免开关动作时重新生成计算矩阵,便于根据桥臂电流与开关状态等信息实时计算出模块端口电压。对一个12电平MMC换流器的仿真结果,验证了所提方法的有效性以及该等效模型的正确性。     

一种储能型MMHC拓扑结构的研究

提出一种新型MMC(模块化多电平换流器)拓扑结构,主要解决不同品牌、不同规格退役动力电池储能时的异构兼容问题。该拓扑的子模块由H半桥组成,n个子模块级联后与一个H桥相连,组成完整的一相桥臂。与传统的MMC拓扑结构相比,在输出相同电平数时,该拓扑结构子模块数量减少一半,且不存在直流母线无桥臂环流,简化了结构,降低了控制的复杂性。在Simulink中搭建模型进行仿真验证,并研制100 kW样机进行实验验证,仿真和实验结果表明该拓扑结构在退役动力电池的异构储能应用方面具有很大的优势。     

模块化多电平换流器快速电磁暂态仿真模型

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电磁暂态仿真耗时过长的问题,提出了2种MMC快速仿真模型。通过分析MMC子模块原理,提出将MMC桥臂等效为自定义数值计算模块与受控电压源组合的数值计算详细模型;并在该模型的基础上设计了一种将独立子模块电磁暂态模型和一般子模块数值计算模型结合的混合模型仿真方法,弥补了数值计算模型难以模拟子模块电磁暂态过程的缺陷。为了进一步提高模型的仿真速度,通过简化MMC的电压均衡控制及子模块状态的差异性,建立了数值计算平均值模型。在PSCAD/EMTDC上搭建MMC-HVDC模型,对所提出的快速仿真模型及仿真方法的有效性进行了验证。     

模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护

对模块化多电平换流器（MMC）的基本工作原理进行了阐述,分析了MMC中子模块的几种常见故障原因,指出了单个子模块故障会引发直流电压和直流电流的振荡,最终将导致换流器停运。对级联H桥多电平换流器几种常见的子模块故障冗余保护方案进行了比较,在此基础上提出了适合MMC的子模块故障冗余保护方法。该方法将少量冗余子模块置于热备用...     

2基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器拓扑及其优化设计

普通模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑中,因子模块数量较多,系统需采集和处理的信息量大,导致控制系统硬件构成复杂.提出一种基于循环嵌套机理的MMC拓扑,其电平输出能力得到显著提升.通过上下两组子模块的协调投切,相对于普通MMC拓扑,新型拓扑输出相同电平数所需的子模块及控制设备数量大幅减少.阐述该新型拓扑的构成方式及基本参数选取原则;针对循环嵌套结构,设计相应的模块协调控制策略;分别以模块用量最小化和换流器运行损耗最小化为目标,优化设计拓扑构成方案.在RTDS中搭建换流器模型,仿真结果表明,新型拓扑具备更强的电平输出能力,并达到大幅减少子模块数量、简化控制系统硬件构成的目标.     

基于MMC平均值模型的柔性直流输电系统海底电缆故障过电压计算

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有调制简单、开关频率低、谐波分量小等优点,在柔性直流输电系统,尤其是跨海域的电能传输中得到了广泛的应用。笔者采用了MMC换流站平均值模型,提出了一种简化的计算海底电缆直流故障时过电压的计算方法,节省了计算量,仿真结果与详细模型十分接近。     

基于MPC的MMC-HVDC子模块均压控制策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有效率高、谐波小、模块化设计和易级联等优点,在高压大容量电能变换领域得到了广泛应用。为提高基于模块化多电平换流器的直流输电系统(MMC-HVDC)运行的动态响应速度,提出了一种基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)与改进的子模块均压控制策略相结合的方法,通过预测模型、反馈校正和滚动优化得到最优的电压控制量,克服了传统的内环电流控制器与外环控制器中PI参数整定困难和动态响应慢的问题。最后,在PSCAD-EMTDC软件平台搭建了21电平的MMC-HVDC系统仿真模型。仿真结果验证了控制策略的有效性和可行性。     

基于FPGA的MMC建模与实时仿真

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)每个桥臂上的级联子模块数量众多,系统仿真规模庞大,给实时仿真带来了巨大挑战.针对基于现场可编程门阵列FPGA(field-programmable gate array)的MMC实时仿真,首先提出了一种对桥臂采用戴维南等效外加电压补偿策...     

适用于梯形法MMC等效模型的线性排序均压算法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)已在直流电网和新能源汇集等领域发挥重要作用。随着换流器端数及MMC中子模块(submodule,SM)数目的不断增加,已有的MMC等效模型在对由大量超高电平MMC构成的多端直流电网仿真时,MMC排序均压算法的复杂度将大幅增加,从而导致仿真计算效率依然较低,仿真用时明显增加。基于开关器件关断电阻无穷大,且使用梯形积分法离散化电容的MMC等效模型,提出了一种线性排序算法。该排序算法的最大时间复杂度为2N-3,能有效减少排序运算量。通过理论证明将该排序算法的适用范围拓展到开关器件关断电阻为实际阻值的MMC等效模型,从而能够使用该模型仿真子模块内部故障。虽然该线性排序算法是在MMC各子模块电容容值相等的情况下提出的,但通过仿真说明当子模块电容容值在一合理范围内服从正态分布时,采用线性排序算法的MMC等效模型在稳态及暂态工况下依然能够表现出优异的仿真特性。     

基于PSCAD的大规模钳位双子模块-模块化多电平换流器高效仿真建模方法

采用钳位双子模块(CDSM)的模块化多电平换流器(MMC)具有较高开关器件利用率和直流故障穿越能力。针对大规模CDSM模块化多电平换流器(CDSM-MMC)仿真效率低的问题,分析了CDSM在闭锁状态和非闭锁状态下的不同动态特性,基于Dommel等值计算原理建立了一种戴维南等效模型。为了提高闭锁状态下的仿真精度,引入EMTDC中开关器件的函数接口,并设计了闭锁状态与正常状态切换的等效电路。同时,通过进一步简化,推导建立了开关信号模型。在PSCAD/EMTDC中搭建了CDSM模型和提出的两种模型,证明了所提出模型的仿真准确度和仿真效率。     

模块化多电平换流器电容电压的分布式均衡控制方法

子模块电容电压的均衡控制是模块化多电平换流器(MMC)的关键问题,通常的做法是在中心控制器通过排序法或附加控制量法集中实现电容电压的均衡控制,当级联的子模块数目巨大时,中心控制器存在占用计算资源过多甚至难以实现的问题。提出一种MMC子模块电容电压的分布式均衡控制方法,将电容电压的均衡控制环分散到各子模块控制器中实现,每个子模块控制器仅需要完成自身电容电压追踪桥臂电容电压平均值的控制,均衡控制环简单且占用计算资源小,当级联的子模块数目大幅增加时,中心控制器的计算资源变化较小。通过对基于MMC的双端柔性直流输电系统的RT-LAB仿真结果和物理试验结果验证了所提出的分布式均衡控制方法的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器的无差拍控制策略

为了简化模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的控制和降低环流中的2倍频分量,提出了一种模块化多电平换流器的无差拍控制方法。建立了模块化多电平换流器单相等效电路的状态方程,根据对状态方程的分析,以换流器的环流参考值和负载电流参考值作为无差拍控制的输入。用劳斯判据进行了稳定性分析,得到了系统稳定运行时K_p、K_i的取值范围。在Matlab/Simulink软件平台下搭建了10电平的MMC仿真模型,并且在实验室搭建了MMC原型样机。分析仿真和实验结果可知,与传统的控制方法相比,提出的无差拍控制方法输出电流畸变率更小,环流2倍频分量和子模块电容电压纹波更低,表明所提出的控制方法不仅PI参数少,控制简单,而且具有较好的并网电能质量。     

适用于多电平MMC-SVG的简化SVPWM方法研究

针对SVPWM（空间矢量脉宽调制）技术难以应用到多电平MMC（模块化多电平换流器）控制领域的难题,提出了一种适用于任意电平MMC的SVPWM方法。该方法将MMC等效看作N个二极管钳位型三电平换流器的串联,并基于自动控制等效变换原理和载波移相技术,利用单个三电平SVPWM生成模块实现了任意电平MMC的SVPWM。最后,在仿真软件中构建了基于MMC拓扑结构的五电平SVG（静止无功发生器）模型,仿真结果表明该方法简单通用,可以实现任意电平MMC的SVPWM。     

模块化多电平换流器无环流仿真模型

为简化仿真控制策略和提高仿真效率,对桥臂环流抑制功能投入的模块化多电平换流器(MMC)进行整体建模,提出一种无环流仿真模型。首先分析了MMC单个子模块工作的电气特性,然后以此为基础推导出换流器相单元电容电压之和与交、直流侧电气量的关系,最后对三相相单元进行整体建模得到反映换流器外特性的仿真模型。在M ATLAB中利用模型搭建柔性直流输电系统并对各种运行工况进行仿真,其仿真结果与基于RTDS详细模型仿真结果一致,充分说明了本文模型的可行性与准确性。该模型适用于仅关注换流器外特性的场合,具有仿真速度快、仿真精度高、适用性广的特点。     

考虑相对误差和计算复杂度的MMC最佳等效仿真电平数的确定方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)已经展现出极其重要的工程应用前景,然而,即使采用超高电平数的MMC精确等效模型也无法满足未来直流电网的需求。因此,对MMC高效模型进行相对误差分析,以寻求满足特定模型精度和计算效率的等效仿真最佳电平数具有重要意义。文中以451电平MMC戴维南等效模型为基准,首先提出精确仿真不同电平MMC时的仿真步长计算方法。然后根据MMC等效模型与详细模型的仿真误差,采用基于测量所得客观权重的改进层次分析法,将各电气量的相对误差整合为该电平数下MMC的综合相对误差。在与基准模型电气参数相同的一系列电平数MMC中,分别仿真和计算得到稳态、交流系统暂态和直流系统暂态情况下的相对误差曲线,同时测量3种工况下各电平数MMC的仿真用时,采用归一化方法和曲线拟合,得到各工况下的最佳电平数。进而利用基于客观权重的层次分析法,根据不同场合对精度和效率的需求,得到不同权重比下的综合MMC等效仿真最佳电平数。最后,通过仿真算例验证最佳电平数MMC模型的合理性和有效性     

模块化多电平换流器操作过电压分析EI北大核心CSCD

模块化多电平换流器(MMC)是高压大容量柔性直流(VSC-HVDC)输电工程的核心,换流器设备的参数设计和型式试验需要基于其暂态过电压的分析结果。为此,提出了模块化多电平换流器的操作过电压计算模型。基于±500 k V柔性直流输电工程的系统参数,研究了模块化多电平换流器设备的设计参数对操作过电压的影响,包括避雷器、桥臂电抗器和子模块储能电容器。结果表明:对于模块化多电平换流器,操作过电压分析中起决定作用的故障工况是换流器交流出口单相接地故障、换流器直流出口单极接地故障、和换流器交流出口相间短路故障;避雷器的荷电率增加时,模块化多电平换流器交流侧相对地、直流侧极对地和桥臂端间的最大操作过电压幅值降低;桥臂电抗器的电感值增加时,模块化多电平换流器的交流侧相对地最大操作过电压幅值降低;子模块储能电容器的电容值增加时,模块化多电平换流器直流侧极对地最大操作过电压幅值增加。研究结果可为柔性直流输电工程换流器的设计和试验提供参考。     

模块化多电平换流器操作过电压分析

模块化多电平换流器(MMC)是高压大容量柔性直流(VSC-HVDC)输电工程的核心,换流器设备的参数设计和型式试验需要基于其暂态过电压的分析结果。为此,提出了模块化多电平换流器的操作过电压计算模型。基于±500 k V柔性直流输电工程的系统参数,研究了模块化多电平换流器设备的设计参数对操作过电压的影响,包括避雷器、桥臂电抗器和子模块储能电容器。结果表明:对于模块化多电平换流器,操作过电压分析中起决定作用的故障工况是换流器交流出口单相接地故障、换流器直流出口单极接地故障、和换流器交流出口相间短路故障;避雷器的荷电率增加时,模块化多电平换流器交流侧相对地、直流侧极对地和桥臂端间的最大操作过电压幅值降低;桥臂电抗器的电感值增加时,模块化多电平换流器的交流侧相对地最大操作过电压幅值降低;子模块储能电容器的电容值增加时,模块化多电平换流器直流侧极对地最大操作过电压幅值增加。研究结果可为柔性直流输电工程换流器的设计和试验提供参考。