模块化APF的桥臂间智能冗余控制策略

随着工业应用发展对大容量有源电力滤波器(APF)的需求不断增加,多模块并联APF因其灵活性和可靠性,成为一个重要的研究热点。当并联系统中一个模块故障时,一般的处理方法为整机切除该模块。而对于只有一相桥臂故障的模块,整机切除将造成其他两相桥臂的浪费。提出一种冗余控制策略,当故障发生时,故障桥臂切除后,模块可继续正常工作。通过样机实验验证了所提方法的正确性和可行性。     

基于负序电流补偿的并联风电变流器故障容错控制

海上风电运行环境恶劣,风电功率随机波动性大,导致功率器件极易发生故障.故障容错控制是提高风电并联变流器运行可靠性以及功率可用度的有效手段.并联风电变流器某相发生开路故障后,对并联风电变流器的故障运行机理进行了详细分析.在此基础上,提出一种基于负序电流补偿的并网风电变流器故障容错控制,利用非故障变流器模块对故障变流器模块进行负序电流补偿.当系统功率小于或等于0.5 p.u.时,在保证并网侧电流平衡的条件下实现变流器最大输出功率;当系统功率大于0.5 p.u.时,首先满足系统有功输出要求,然后对负序电流进行补偿.最后通过仿真验证了该控制理论的正确性与可行性.     

并网变换器电流重构模型预测容错控制

当传统并网变换器发生桥臂故障时,通过连接故障相到直流侧电容中点,重构为三相四开关容错运行结构。针对三相四开关容错变换器的交流电流传感器故障问题,提出了一种基于电流重构的模型预测功率控制方法。首先,利用采样的直流电流和正常交流传感器信息,并根据变换器电压矢量与电流关系重新构造出三相电流。其次,建立容错变换器功率预测模型,利用重构电流参与容错变换器的模型预测控制,应用使代价函数取得最小值的开关矢量。最后,搭建仿真和实验平台进行验证,结果表明所提控制策略有效,输出功率稳定,实现了并网变换器在桥臂和传感器双重故障下的容错运行,提高了系统的可靠性。     

基于超级电容蓄能的永磁同步海上风电低电压穿越研究

为避免电网电压跌落导致海上风电机组脱网运行,分析了直驱永磁同步海上风电系统的双PWM全功率变流器控制策略,提出了一种基于超级电容器蓄能的海上风电机组并网运行低电压穿越方案。在双向变流器的直流侧并联超级电容蓄能系统,利用超级电容来维持电网故障时的功率平衡,稳定直流侧母线电压。利用网侧变流器静止无功补偿运行模式控制无功电流输出,向电网提供无功功率支持。仿真结果表明了该方案在电网故障时,能有效抑制直流侧过电压,向电网提供无功功率,有利于电网故障恢复,提高了直驱永磁海上风电系统的低电压穿越能力。     

半/全桥混合型DC Chopper拓扑及其控制策略

DC Chopper能在海上风电柔性直流输电系统主网侧发生短路故障时耗散系统的盈余功率,并实现故障穿越.针对全桥型集中式模块化DC Chopper使用IGBT和二极管数目多的问题,提出了一种半桥/全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑.该拓扑采用半桥子模块替换桥臂中一部分仅起到电压支撑作用的全桥子模块,并根据桥臂电流单向性的特点,省略掉子模块中部分IGBT,仅保留其反并联二极管,大幅降低了设备的成本.在此基础上,针对现有的集中式模块化拓扑控制策略精确度低的问题,进而提出了一种利用方波正半波幅值调节耗散功率、利用占空比平衡桥臂能量的控制策略,实现了对耗散功率和桥臂能量的精确控制.在Matlab/Simulink中开展了海上风电柔性直流输电系统故障穿越的仿真研究,验证了所提出的DC Chopper拓扑及控制方案具有良好的故障穿越效果.     

基于永磁同步电机的电流源型风电变流器实现

永磁直驱式全功率风电变流器具有结构简单、转换效率高、低成本、可靠性高等优势,是目前风力发电领域的一个重要研究方向。电流源型变换器跟电压源型变换器相比,具有出色的低电压穿越能力、易并联、高可靠性等优点。因此提出了基于永磁同步电机的电流源型风电变流器的实现方法,包括变换器的参数设计、有功和无功的控制策略、有源阻尼的实现。基于提出的控制策略,可以实现一个完整的电流源型PWM变流器。最后给出了提出的控制策略的MATLAB仿真结果。     

基于二极管整流器实现风电机组直流输出的方法

未来海上风电场有望采用大型直流风电机组进行组网以降低电缆成本和损耗。为此,提出一种以二极管整流器作为中压并网端口,且具备储能端口与取电端口的多端口风电变流器拓扑,用其实现海上大型风电机组的直流化,其中,储能与取电端口用于实现机组自启动。直流并网端口无LC滤波装置,当发生直流短路故障时,由于无须采用电容器,则避免了对短路点的放电电流冲击。针对该系统方案,结合变流器数学模型,给出了包括启动、发电和故障穿越的机组级控制策略。详细推导分析了变换器关键元件的边界运行条件,并提出其主电路参数优化设计方法。在PSCAD中构建8.0MW直流风电机组仿真模型,仿真结果表明:变流器的全工况运行参数基本满足边界运行条件,启动并网过程平稳且无明显冲击,变流器能在100 ms左右清除直流短路故障电流,保护功率元件,并实现故障穿越。最后,利用基于RT-LAB实时仿真器和F28335控制器的半实物仿真平台,进一步验证了变流器启动与运行控制策略的有效性。     

面向低频海上风电送出的模块化多电平矩阵变换器综合解耦控制策略EI北大核心CSCD

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)用于海上风电低频输电系统(low frequency transmission system,LFTS)是具有广阔应用前景的新方案。M3C双频功率耦合对其9个桥臂直流侧电容电压的均衡控制及故障穿越带来挑战和困难。为此,提出基于桥臂双重低频环流注入法的新型M3C综合解耦控制策略。首先,对M3C工、低频侧进行数学建模并分析其功率运行范围。基于桥臂工、低频共模和差模回路的分析及桥臂功率平衡原则,提出实现工、低频侧输入及双重低频环流注入的M3C解耦控制策略。使用开环和闭环低频环流注入两种联合控制,在实现M3C各子变流器相间功率快速均衡的同时,确保工频侧输入电流的完全正序特性。通过带延时补偿的复矢量控制器,在静止坐标系统实现9个桥臂的完全独立控制,搭建35kV/11MW海上风电系统PSCAD模型,通过稳态、动态及暂态仿真全面验证所提综合控制策略的有效性和正确性。     

基于热控制的海上风电变流器主动防凝露技术

海上风电变流器采用封闭式柜体及水冷散热设计,以适应海上高湿度及盐雾的环境要求。当风速突然减小,风机发电功率骤降时,冷却水和散热器温度随之快速下降;但是柜内空气温度由于散热条件下降缓慢,散热器等成为潜在的冷点。当冷点温度降到柜内空气凝露点温度以下时,将发生冷凝现象,表面形成的露水会损坏变流器电气和机械部件,甚至导致短路故障。针对目前兆瓦级海上风电变流器的并联型拓扑结构,提出一种基于无功环流的主动热控制策略,用以调节冷点的温度始终高于柜内空气凝露温度。对所提出的方法进行了建模和理论分析,并通过3MW风力发电系统的仿真和试验平台测试,验证控制策略的有效性。     

并联型风电变流器机侧外管开路故障的容错控制

海上风电相比于陆上风电,自然环境恶劣,且交通不便,运维可及性差,要求变流器具有高可靠性。采用容错控制则能有效提升系统可靠性。针对并联型三电平变流器外管开路故障,提出了一种无功环流注入的容错控制策略。通过对故障变流器注入无功环流,使得变流器运行在单位功率因数,从而使故障相电流绕开故障外管,有效容错运行。相比于d轴电流注入的容错方式,无功环流注入能有效降低发电机铜耗,并且不改变整个系统的功率因数。通过仿真验证了无功环流注入的容错控制的有效性和可行性。     

NPC型直挂储能变流器桥臂断路故障下低电压穿越的容错控制

NPC型直挂储能变流器长期运行可能发生桥臂断路故障造成设备停运以及影响低电压故障穿越,基于故障相与直流母线中点直连构成虚拟桥臂重构容错故障拓扑,提出了基于模型预测控制的桥臂容错低电压穿越控制策略。考虑重构后的容错拓扑结构降低了直流侧电压的利用率,研究分析了该容错结构进行低压穿越的最大输出电流整定方法。由于低电压穿越过程中电压跌落后的容错拓扑输出特性发生改变,对储能直挂容错结构的输出电流、电压进行模型预测矢量分析,推导出电压跌落与最大输出电流的关系式。在重构的空间电压矢量内选择能够支撑低电压穿越的矢量状态,控制储能变流器按照低电压穿越技术规范进行有功无功功率分配,支撑电网电压。仿真结果验证了所提出的控制策略保证容错拓扑结构可以在桥臂故障期间运行的有效性以及低电压穿越过程中提供无功功率支撑的可靠性。     

分频海上风电系统的不对称故障穿越控制EI北大核心CSCD

该文提出分频海上风电系统的不对称故障穿越控制策略。首先,介绍分频海上风电系统的基本结构与运行方式。其次,根据关键变频设备模块化多电平矩阵式换流器(modular multi-level matrix converter,M^(3)C)的数学模型,揭示电网电压不对称时M3C的运行特性,并提出分频海上风电系统的故障穿越控制策略。该策略在M3C双αβ0坐标变换控制的基础上,改进桥臂间均压控制策略,并引入M^(3)C-风电场联合电压–频率–功率下垂控制实现风电场减出力。最后,在MATLAB/Simulink中搭建分频海上风电系统电磁暂态仿真模型,对所提出的控制策略进行验证。仿真结果表明:提出的故障穿越控制策略能够在保证M3C运行安全的同时,满足风电场功率外送需求,实现风电场对工频系统的无功支撑目标。     

电网短路时交流励磁风电机组网侧变换器控制策略

电网短路故障时交流励磁用双脉宽调制(PWM)变换器应提供足够的励磁电压实现交流励磁发电机的不间断运行,要求双PWM变换器直流链电压在故障时波动较小。分析并提出一种电网短路故障时交流励磁风电机组电网侧变换器的控制策略,该方案在电压跌落时仅利用电流内环控制电网侧变换器,并于电压正常时采用带前馈的双闭环电压控制策略控制电网侧变换器。通过仿真验证了所提出的方案在电网短路故障发生和切除时稳定控制直流链电压的有效性,为故障过程发电机不脱网励磁控制奠定了基础,同时该方案也能有效保护直流侧电容及提高系统的稳定性。     

中低压混合型风电变流器

海上风电变流器功率日趋增大,随着功率等级的提升,在采用低压并联拓扑的风电系统中,塔筒内扭缆问题日益严重,因此提出一种能够提高发电机-变流器组出口电压的新型风电变流器。该变流器机侧采用两电平变流器级联,网侧采用三电平变流器,构成一种中低压混合型风电变流器。中低压混合拓扑依旧可以使用低压发电机,而网侧变流器电压等级的提高减少了所需电缆的数量,有效解决了塔筒内扭缆问题。针对中低压混合型风电变流器,首先进行了理论建模,进而提出了混合拓扑的控制策略,最后在RT-LAB平台上验证了该控制策略的有效性,表明新型变流器具有良好的稳态与暂态性能。     

储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制

针对传统双馈风电机组(DFIG)低电压穿越(LVRT)能力不足问题,提出了储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制。该控制是在网侧变流器（GSC）原有的模型上将超级电容经隔离型DC/DC变换器并联到风机直流侧,以此吸收故障期间直流侧产生的不平衡功率;在发生低电压故障时,根据超级电容投入情况,对两侧变流器和并联在风机出口母线上的STATCOM进行无功协调控制来支撑电网电压;同时超级电容储能装置采用电压电流双闭环控制,满足了系统稳定性和经济性的要求。仿真结果表明：该方法应用在风电并网系统中可以使DFIG的LVRT能力得到极大的提升。     

基于MMC的光伏直流升压并网系统故障分析及限流控制策略

基于模块化多电平换变流器(modular multilevel converter, MMC)的光伏直流升压并网系统为大容量并网提供了更多的可能。而光伏升压系统直流侧发生故障时暂态过程复杂,故障电流上升迅速且峰值过高。针对此问题,首先对系统直流侧双极短路故障时的直流升压变换器与MMC换流站进行了故障过程分析,并通过故障回路分别计算出了可靠闭锁下流经短路点的故障电流。然后针对MMC换流站的故障电流,依据其控制原理,提出基于电压变化的主动限流控制策略。该控制通过引入电压变化量动态改变桥臂参考电压,从而限制故障电流。最后通过PSCAD仿真模型验证了故障分析结果与限流效果,经检验,该控制策略可以有效减小断路器的开断电流以及桥臂过流峰值。     

采用串联网侧变换器的双馈风电系统高电压穿越控制策略

针对采用串联网侧变换器的双馈风电系统电机定子端电压灵活可控的特点,提出了适用于该系统的对称高电压穿越控制策略。该策略通过控制串联网侧变换器,实现电网电压对称骤升时发电机定子电压保持不变,从而抑制定子磁链的暂态直流分量,使得电机转子过电压及过电流得到有效抑制,且可有效减小发电机电磁转矩及功率的波动。在变流器电流容量的约束下,故障期间通过控制转子侧变换器与并联网侧变换器吸收无功功率,可实现该系统对电网的故障暂态无功支持。仿真结果表明,所提控制策略既能保证在电网发生对称骤升故障期间双馈风电系统不脱网运行,又可使该系统为电网电压的恢复提供无功支持。     

面向复合故障的牵引逆变器四桥臂容错控制

针对牵引变流器中NPC型三电平逆变器在一相或两相桥臂发生复合故障后的容错控制问题,在给出三电平逆变器四桥臂容错拓扑及其控制方式的基础上,通过分析逆变器主桥臂冗余矢量容错能力,归纳出复合故障类型,并就不同类型故障提出相冗余与矢量冗余相结合的容错控制策略,最终通过仿真建模对复合故障容错控制策略进行验证。仿真结果表明,三电平逆变器两相桥臂同时发生故障时可实现自动容错,故障后系统仍可全额或降额持续运行,验证了所提控制策略的有效性。     

高可靠性并网微电网及其控制策略

为了提升微电网的可靠性,提出一种应用于并网微电网具有二次容错能力的可重构逆变器。当逆变器某一桥臂开关器件发生一次故障时,用直流侧电容桥臂代替故障相,逆变器重构成三相四开关拓扑结构,实现一次容错重构;当逆变器非故障相开关器件发生二次故障时,逆变器再次重构成三相四开关拓扑结构,实现二次容错重构。提出了下垂控制-电压电流控制-虚拟阻抗控制-重置脉冲控制算法的复合控制策略,使逆变器实现二次容错控制。仿真结果验证了高可靠性并网微网拓扑结构的正确性与控制策略的有效性。     

双向AC/DC容错变换器模型预测直接功率控制

双向交直流变换器的故障容错运行能力可有效提高其可靠性。综合考虑双向变换器直流侧电压调节及变换器容错运行控制,本文提出一种双有源桥(DAB)级联容错三相四开关变换器(FSTP)的两级式结构及其四矢量下的模型预测功率控制策略。当变换器桥臂发生故障时,前级DAB结构可提高直流电压,后级FSTP结构能够保证变换器的可持续容错连续运行。与传统无容错变换器方案相比,本文所设计的结构及控制方法能够升高直流电压且具有故障容错运行能力,保证双向交直流变换器在桥臂故障下能够持续可靠运行。通过与传统无容错变换器的仿真及实验对比,验证了本文所设计的结构及控制策略的有效性和可靠性。