基于虚拟同步控制的模块化多电平换流器小信号建模与稳定性分析

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)采用虚拟同步(virtual synchronous generator,VSG)控制后的稳定性,首先基于模块化建模思路,建立了基于虚拟同步控制的MMC并网系统精确小信号稳定性分析模型。将MMC的两电平简化模型与精确模型特征值对比发现,虚拟同步控制时,简化模型忽略了一种同时受虚拟同步控制和环流抑制(cinculating current suppression control, CCSC)控制参数影响的耦合模态(16 Hz左右)。然后重点分析了外部模态(2 Hz左右)、耦合模态和内部谐波模态(100 Hz左右) 3种重要模态的稳定性,由详细稳定性分析可知,若调整虚拟同步控制参数以增大外部模态阻尼和稳定性时,会导致耦合模态的阻尼和稳定裕度减小,因此在优化虚拟同步控制参数时需同时关注外部模态和耦合模态稳定性。此外,电网强度较弱时,系统可能会出现外部模态振荡失稳;而环流抑制参数设置不合理时,系统可能会出现内部谐波模态失稳。最后,通过与经典矢量控制的稳定性对比,说明经典矢量控制下不存在耦合模态;在电网强...     

模块化多电平换流器动态相量建模

模块化多电平换流器(MMC)包含大量由开关器件组成的子模块,导致基于这种换流器的高压直流输电系统(MMC-HVDC)电磁暂态模型仿真速度和规模受到限制,机电暂态模型无法显示换流器内部环流等特性,时域解析数学模型用于环流分析时计算复杂、灵活性差。为了快速地计算MMC交直流侧电压、电流,在MMC开关函数模型和状态方程表示的等效模型的基础上推导了动态相量模型。在Matlab中编写以各阶动态相量为状态变量的状态方程进行计算,得到包括直流侧2次环流在内的换流器内外部电压、电流特性,并与应用Matlab/Simulink仿真软件得到的电磁暂态模型进行了暂、稳态和仿真耗时的对比。结果表明,所提动态相量模型计算的交流侧输出电压、电流和直流侧环流与电磁暂态模型吻合,动态相量模型是正确且高效的。     

基于Floquet理论的模块化多电平换流器小信号稳定性分析

为更好地描述模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)中高次谐波动态的相互作用,基于线性时间周期(Linear Time-Periodic, LTP)系统理论对MMC进行建模,并基于Floquet理论进行MMC系统的小信号稳定性分析。首先通过MMC的桥臂平均值模型建立系统的非线性时间周期系统模型,然后围绕周期轨道将该模型线性化得到MMC的LTP模型,最后通过针对LTP系统的Floquet理论分析MMC的小信号稳定性。分析结果表明：LTP模型可以准确描述MMC的小信号动态响应特性;Floquet分析可以精确刻画MMC参数构成的稳定边界。此外,所提模型和稳定性分析结果通过了基于MMC聚合模型的电磁暂态仿真和验证。     

模块化多电平换流器附加直流电压控制策略设计

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的调制比保持在合适的区间内,提出了一种附加直流电压控制策略,可保证换流器输出全电平数的交流电压阶梯波形且稳定运行。首先,通过分析正弦脉宽的调制原理,得到满足换流器输出全电平电压波形且稳定运行的调制比最小限值和最大限值。然后,根据直流电压与调制比的非线性关系,设计了附加直流电压控制器,保证直流系统内所有换流器的调制比均运行于合适区间内。最后,采用11电平的双端MMC系统对所提策略进行验证。仿真结果显示,MMC-HVDC系统总能保持完整电平数的输出波形,并且总能够在不同的工况下寻找到一个新的稳态平衡点运行,验证了所提策略的可行性。     

模块化多电平换流器的建模与控制

分析了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构及原理。基于MMC的桥臂电流,建立了新型的电磁暂态模型,其中包括桥臂电流中基波分量、直流分量和二次分量的线性化方程。在此模型基础上,针对MMC桥臂电流中各分量提出相应控制策略,实现了换流器系统的外部功率控制和内部环流控制。通过Matlab／Simulink对基于所述模型的控制策略进行仿真试验,结果表明了控制策略的正确性和有效性。     

基于谐波线性化的模块化多电平换流器阻抗建模

模块化多电平换流器(MMC)的小信号阻抗建模是分析含MMC的电力系统谐振及稳定性的关键。MMC是一个多频率、非线性、周期性时变的系统,具有复杂的内部动态特性,传统的小信号建模方法无法直接用于MMC。采用谐波线性化法对MMC的交流侧小信号阻抗进行建模,计及谐波环流和电容电压稳态纹波的影响,并揭示了环流控制对MMC交流侧阻抗的作用机理。利用MATLAB/Simulink搭建三相MMC详细时域仿真模型,仿真测量结果验证了解析模型的正确性。     

模块化多电平换流器多维度建模方法研究

目前可用于对模块化多电平换流器系统进行分析的仿真模型包括详细模型、高速等效模型和宽频模型,三种仿真模型各有优劣,应用范围有限。结合详细模型、高速等效模型以及宽频模型的优点,采用每个桥臂每种子模块单个详细模型、剩余子模块高速等效模型的方法,并考虑实际系统杂散元件的影响,在桥臂对应位置接入杂散元件,建立了模块化多电平换流器多维度模型。该模型兼具器件级电磁暂态特性仿真能力、高效性以及高准确度的特点,能够满足对模块化多电平换流器系统仿真的所有需求。基于PSCAD/EMTDC搭建了双端系统进行仿真,验证了所建立模块化多电平换流器多维度模型的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器的降阶小信号模型研究

建立模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的小信号模型时,通常会考虑子模块电容电压波动、内部环流等状态变量,但却提高了小信号模型的阶数。为了减少多端MMC直流网络进行小信号分析时的模型阶数,该文首先建立MMC全阶小信号模型;然后基于平衡理论和Hankel奇异值降阶思想,提出MMC全阶小信号模型的一般降阶方法;建立MMC整流站和逆变站的有效降阶小信号模型;并以三端MMC-HVDC系统为例对降阶前后系统的动态响应特性和不稳定特征根轨迹进行了对比。仿真结果表明:通过选取适当的阶数,MMC降阶模型与全阶模型具有一致性;直流系统在应用降阶小信号模型后,系统的降阶模型与原系统的全阶小信号模型具有相同的动态特性,并且同样能够对系统不稳定进行预估。     

模块化多电平换流器快速能量等效建模

为解决模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)电磁暂态仿真效率低的问题,提出一种针对MMC桥臂及子模块等效的快速能量等效模型,具有建模过程简单,方法可靠的优点。通过对MMC桥臂进行受控源等效,保证换流器的外部特性一致,并使得桥臂与子模块间电气解耦;再利用桥臂与子模块只有二次信息交换的特点,对子模块进行开关简化与能量等效建模,简化了仿真电路,减少电路中的非线性元件。在PSCAD/EMTDC仿真平台上对所提仿真建模方法进行验证,对比详细模型提速效果可以达到1736倍以上,结果表明所提快速能量等效模型的有效性,能够保证高仿真精度,并在仿真效率上极大的提升。     

基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器的建模

模块化多电平换流器（modular multilevel convener,MMC）主电路的搭建和仿真可以在实时数据仿真器（real time digital simulator,RTDS）的小步长环境下完成,由于目前的RTDS处理器计算容量不足以进行多达200电平的MMC仿真,为了尽可能在现有处理器运算情况下进行更大...     

考虑内部动态特性的模块化多电平换流器小信号模型

小信号模型是系统稳定性分析和进行参数设计的重要方法。目前对于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的小信号建模,通常忽略子模块电容电压波动、内部环流、环流抑制控制器等内部动态行为,从而简化状态空间模型的建立,但却对系统特征根和稳定性分析造成一定误差。文中考虑换流器的内部动态特性,建立了详细的MMC阀的小信号模型,所建立的小信号模型提供与外部控制器和交、直流系统方便的接口,具有较强的通用性。通过与电磁暂态仿真模型的动态响应对比,验证了所提出模型的准确性。同时,建立了简化的端模型的状态空间方程,并将简化模型和MMC详细模型的小信号分析结果进行对比,结果表明,应用简化的端模型评估系统动态特性存在一定误差,且对部分系统不稳定现象无法预估判断,从而验证了建立MMC详细小信号模型的必要性。     

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RTDS的模块化多电平换流器闭锁状态仿真建模方法

模块化多电平换流器(MMC)因其模块化的结构特点在高压直流(HVDC)输电领域得到广泛应用。对于MMC闭锁状态的仿真涉及对二极管这种自然开断器件的仿真。由于实时数字仿真(RTDS)平台不能使用插值和变步长算法,在RTDS中仿真时会存在数值振荡和二极管开关动作延迟的问题,RTDS是通过小步长来实现误差降低。但CBuilder工具不具备小步长仿真能力,需采用接口变压器连接,其漏抗等参数会降低仿真精度。提出一种适于RTDS平台的MMC闭锁状态仿真方法,将桥臂电抗的积分方法改为能有效抑制数值振荡的后退欧拉法,同时采用双值电阻并联RC阻尼电路的模型对二极管进行等效。通过对模型的稳态误差、暂态误差以及二极管动作延迟造成的误差进行计算分析,提出模型的参数选择方法,提高了模型的计算精度和数值稳定性。     

模块化多电平换流器损耗分析

模块化多电平换流器(MMC)是目前比较主流的柔性直流输电换流器结构之一。柔性直流输电换流站损耗中换流器损耗占主要部分,详细分析换流器的损耗特性对于系统设计、冷却装置选型以及探求降损方法都有着重要意义。通过分析MMC各开关器件的工作特性,考虑结温、死区时间、驱动电阻等对换流器损耗的影响,提出了一种基于曲线拟合理论的MMC损耗计算方法,并编制了基于Matlab的损耗计算程序,最后通过算例对MMC损耗进行了定量分析,并对各因素对MMC损耗的影响特性进行了分析。     

考虑交直流多谐波耦合的模块化多电平换流器矩阵建模

谐波耦合矩阵模型可为电力系统线路和元件的谐波稳定性研究提供有效支撑。但对于内部结构复杂的模块化多电平换流器(MMC),已有研究中的矩阵模型不能描述其交、直流侧谐波间耦合关系或只能对特定次数谐波的耦合关系进行讨论。故考虑MMC开关函数可描述换流器的特定次数谐波间耦合关系,但其本身为周期时变的特点,以及谐波状态空间理论(HSS)可以将周期时变模型定常化,同时描述各量全部次数谐波间耦合关系的优点,将两者结合以搭建了可同时描述MMC交、直流侧各电气量的全部次数谐波间关系的谐波耦合矩阵模型。将加入谐波扰动后的MMC谐波耦合矩阵模型的理论计算结果与PSCAD电磁仿真模型仿真结果对比,证明了该模型对MMC谐波耦合特性描述的准确性。     

模块化多电平换流器的损耗计算

对模块化多电平换流器(MMC)在正弦脉宽调制方式下子模块上下管开关器件的投入概率进行分析。结合上下管开关器件的投入概率,导出上下管开关器件等效电流的表达式。以子模块电容器在一个基频周期内的电压变化量是零为基础,推导出子模块电容器电压与电容器电容、负载功率因数、调制比及阀侧交流电流峰值之间的关系,并解析出上下管开关器件的平均电流与有效电流。利用开关器件制造厂商提供的损耗相关参数,对厦门柔性直流示范工程MMC在整流状态和逆变状态下的损耗和结温进行计算。计算结果表明,损耗计算和结温估算模型能为MMC冷却系统的配置提供参考。     

模块化多电平换流器的容错控制策略

为了分析模块化多电平换流器在子模块故障时系统的运行性能,建立了系统在热备用的模式下上、下桥臂不对称运行的数学模型,分析结果表明上、下桥臂不对称运行会增加故障桥臂环流中的基频成分,通过改变故障桥臂子模块的平均开关频率可抑制基频环流。分析了采取容错控制策略后系统性能及所允许的最大故障子模块数量。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所得结论正确性。     

基于PSCAD的模块化多电平换流器仿真研究

作为新一代直流输电技术,基于电压源换流器(VSC)的柔性直流输电(VSC-HVDC)发展前景广阔,特别是模块多电平换流器(MMC),将日趋成熟并广泛应用到输电领域。主要研究模块化多电平换流器系统的主电路参数设计、控制方法和仿真建模方法。在EMTDC/PSCAD平台上,搭建两端模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)的详细仿真模型,通过对模型在额定状态和功率波动状态下的运行结果进行分析,验证了仿真模型的有效性。     

基于模块化多电平换流器的虚拟同步机设计

为应对大量新能源并网给电力系统惯量、频率所带来的不利影响,提出了一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机,并研究了其控制技术。该虚拟同步机使用一种能提供虚拟惯量的d轴外环控制器代替传统MMC的外环功率控制器,从而为电力系统提供暂态频率支撑。同时,采用了一种基于两相静止坐标的锁相环,代替常用的同步坐标锁相环,以更好地适应虚拟同步控制对参考相位的要求。基于实时数字仿真器的仿真结果表明,该虚拟同步机能模拟出同步机的惯性和调速器特性,其并网运行可以减小系统的暂态有功缺额,降低频率偏差,阻尼区域间振荡。     

模块化多电平换流器型直流输电的建模与控制

分析了模块化多电平换流器(MMC)的电路结构和运行特性,指出了MMC每相上、下2个桥臂交流输出端是等电位点.将三相等电位点虚拟短接后,每相上、下2个桥臂换流电抗可以并联成一个电抗,与交流系统相连,其结构与传统电压源换流器(VSC)类似.文中据此得到了MMC的简化等效电路理论模型.根据该等效电路理论模型,MMC的控制可以直接使用传统VSC的控制策略.将传统VSC常用的矢量控制策略应用于MMC型直流输电系统.时域仿真结果表明,MMC每相上、下2个桥臂交流输出端的电位非常接近,验证了所提出的MMC等效电路理论模型的正确性.仿真结果也表明所设计的MMC型直流输电系统的矢量控制策略控制性能良好.