基于模块化多电平矩阵变换器的低频输电系统柔性启停策略

基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的低频输电系统(LFTS)因其无需建设海上换流站,在中远海上风电送出方案中具有巨大的应用潜力,但目前尚未有文献对LFTS的启停控制深入研究。为了实现低频线路开关在无电压及无电流状态下分合控制的目的,采用了一种柔性启停策略,包括一种无同期的启动策略和一种无电压电流分开关的停运策略。以双端LFTS为分析对象,通过对M3C的灵活控制和启停逻辑的合理设计,无需新增控制装置及检同期的控制策略,可解决LFTS启停时易出现的过压及过流问题。仿真实验结果和结论表明了所提控制策略的正确性,各换流站之间实现完全柔性启停,具有良好的LFTS工程应用前景。     

可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略

低频输电作为一种新型输电技术,在海上风电送出、新能源场站送出等多个场景具有良好的应用前景。但在不对称故障下,故障侧功率不对称将严重影响模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter, M3C)的电容电压均衡,对低频输电系统安全稳定运行产生不利影响。为此,提出了一种可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略。首先,介绍M3C的系统结构及双αβ0数学模型,并分析不对称故障下电容电压不均衡的原因。然后,基于双αβ0数学模型针对输电线路不对称故障情况计算桥臂功率不均衡分量的表达式,通过M3C功率平衡关系引入电流补偿分量,消除桥臂功率的不均衡,并得到适用于不对称故障的环流控制目标,进而通过环流控制实现故障下M3C电容电压的均衡。最后,搭建基于M3C的低频输电系统仿真模型验证所提控制方案的可行性和有效性。     

基于M3C的低频输电系统不对称故障穿越控制策略

低频输电技术兼具高压交流及高压直流输电技术的优势,具有良好的发展前景。但当系统发生不对称故障时,子换流器间电容电压均衡被破坏,影响低频输电系统的安全运行。鉴于此,提出了一种(modular multilevel matrix converter, M3C)不对称故障穿越控制策略。该方案既能在一定程度上限制短路电流,又能平衡子换流器间电容电压,有效提高M3C不对称故障穿越能力。首先介绍M3C的拓扑和工作原理,分析M3C不对称故障期间的运行特性。进而在dq坐标系下推导故障侧电压电流,计算M3C故障侧有功功率表达式并对其中的直流分量部分进行提取。通过将直流分量不均衡抑制为零的方式确定负序电流参考值,用以实现故障侧的负序控制。最后,搭建基于M3C的低频输电系统模型,通过仿真验证了所提方案的有效性和可行性。     

模块化多电平矩阵变换器低频控制方法

模块化多电平矩阵变换器(MMMC)在低频甚至零频率运行时,低频纹波电压与输出频率成反比,导致模块电容电压波动过大而影响MMMC安全运行。为解决该问题,提出一种MMMC低频控制方法。该方法外环采用层次化电容电压平衡控制,并基于能量交换规律将输出二倍频纹波电压当做有用成分,与电容电压直流分量共同参与平衡控制,最后,通过复合控制器实现MMMC相间平衡和低频纹波抑制的双重控制;内环采用各桥臂电流独立控制,避免了复杂的解耦变换和内部环流产生。该方法适用于输出零频率的特例工况。通过半实物实验验证了所提控制方案的可行性、有效性以及优良的动静态特性。     

模块化多电平矩阵变换器输入输出频率相近时低频运行控制策略

提出了一种模块化多电平矩阵变换器(M3C)输入输出频率相近时的低频运行控制策略。方案采用桥臂电流反馈控制,实现输入输出侧电流和内部环流的三重控制,并约束内部环流不影响输入输出侧;电压外环采用层次化电容电压控制策略,包括M3C总电容电压控制、输入输出侧相间平衡控制以及桥臂间平衡控制,其中桥臂间平衡控制通过叠加高频环流及零序电压实现,并引入PR控制器实现差频纹波的闭环抑制。该方案适用于输入输出侧频率相同的特例工况。通过OPAL-Rtlab半实物实验验证了该方案的可行性和有效性,以及优良的动静态特性。     

分频输电系统模块化多电平矩阵变换器谐波特性分析

模块化多电平矩阵变换器(M3C)是构建分频输电系统(FFTS)的核心装备,但是M3C在进行交-交变换时,会导致两侧不同频率交流系统电气量在M3C内直接耦合,引起系统复杂的谐波分布。为分析M3C谐波特性,首先基于M3C工作原理推导得到子模块电容纹波电压解析式,在此基础上推导9个桥臂考虑子模块电容电压全部4种频率分量耦合的桥臂谐波电流解析式,进而分析多种频率桥臂谐波电流与系统电流的关系以及影响纹波电压/谐波电流幅值的关键因素。结果表明,在稳态下,分频侧频率ω₁和工频侧频率ω₂的电流分量以正序基波电流性质流入对应系统;频率为3ω₁和3ω₂的电流分量以零序谐波电流性质流入两侧交流系统;其他频率谐波分量在变换器内部环流。文中针对M3C提出一种零序电流抑制控制策略,并在Matlab/Simulink中进行仿真,验证了谐波理论分析的准确性以及控制策略的有效性。     

电网不平衡工况下模块化多电平矩阵变换器控制策略

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)是一种可直接实现交交功率变换的新型高压大功率拓扑,在低频输电、大功率异步电机调速及低频海上风电送出等领域具有应用前景。由于2种频率的功率耦合作用,M3C桥臂电容电压在电网电压不对称时容易失稳。为此,文中首先对不平衡输入工况下M3C桥臂功率进行了计算,推导并总结了2种不同功率平衡方法下桥臂间的功率分配规律。在此基础上,研究低频环流对桥臂功率的影响,在保证系统总有功功率平衡的前提下,提出基于低频环流的M3C桥臂电容电压平衡控制策略,避免了网侧负序电流的引入;在不平衡工况下,通过桥臂电容电压闭环控制和功率直接补偿实现电容电压的快速平衡。所构造的低频环流仅在换流器内部流动,不影响M3C输入输出侧的解耦运行。最后在MATLAB中搭建了220 kV/400 MW M3C系统模型,验证了所提控制策略的有效性。     

柔性低频输电系统换流站故障后瞬态过电压

柔性低频输电兼具工频交流和直流输电的技术优势,在海上风电送出、新能源汇集以及城市电网柔性互联等场景具有应用潜力。柔性低频系统换流站故障及后续闭锁阶段会产生较严重的瞬态过电压,影响站内参数设计和绝缘配合。为此,针对柔性低频输电系统换流站典型拓扑和参数,建立了过电压仿真模型,对典型故障后瞬态过电压进行仿真研究;结合故障后过电压产生特点,将故障后的过程分为4个暂态阶段,分别分析了各阶段中不同位置的过电压特征以及产生原因。在考虑不同的故障工况和对应保护动作策略的条件下,仿真计算了换流站关键位置和设备的最大瞬态过电压水平,提出了换流站避雷器配置方案,并验证了其对瞬态过电压的抑制效果。研究结果表明：故障发生、换流器控制响应、换流器闭锁以及断路器断开的4个瞬态过程均会在换流站内不同位置产生过电压,其中换流器闭锁阶段的过电压水平最高;在不考虑抑制措施时,220 kV区域的瞬态过电压标幺值可达3.28,桥臂电抗器端间过电压标幺值可达3.83;所提避雷器配置可以有效抑制过电压,且各避雷器吸收的能量符合要求。研究结果可为柔性低频换流站参数设计及绝缘配合提供依据。     

海上风电低频输电系统低频侧不对称故障控制策略

低频海底电缆发生不对称故障时存在模块化多电平矩阵换流器(M3C)功率器件电流越限、非故障相过电压风险,严重影响海上风电低频输电系统(LFTS)的安全运行。针对上述问题,在充分发挥M3C高可控性的基础上,提出了一种适用于海底电缆不对称故障的控制策略：根据故障严重程度动态调整M3C低频侧电压,防止非故障相过电压;各子换流器通过抑制负序电流限制短路电流上升,保护功率器件免受过电流危害;计及控制策略的影响,通过建立系统故障等值模型进行故障分析。在PSCAD/EMTDC中搭建了海上风电LFTS模型,仿真结果验证了所提控制策略和故障分析方法的有效性,其能够实现低频侧不对称故障下系统的稳定运行。     

电网电压不平衡下MMC的无源控制策略

提出了电网电压不平衡条件下模块化多电平换流器(MMC)的无源控制方法,其能很好地解决电网电压不平衡条件下MMC存在的交流侧三相电流不对称、有功功率出现二次脉动、无功功率出现二次脉动的问题。根据MMC的拓扑结构,建立MMC在电网电压不平衡条件下的数学模型,分析MMC在电网电压不平衡条件下的内部特性,并在此基础上设计电网电压不平衡条件下的环流控制策略。基于存储函数的无源控制理论,针对上述3个不同的控制目标,制定相应的非线性无源控制策略。     

特高压混合级联多端直流输电系统的协调控制策略研究

逆变侧采用电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)串联组成的特高压混合级联多端直流输电系统,为特高压直流输电提供了一种更为经济、灵活、快捷的输电方式。基于现有直流电网的协调控制策略,文中对受端MMC阀组之间的协调控制策略进行了深入的分析研究,并考虑了5种协调控制策略。然后,在PSCAD/EMTDC中,对上述5种策略遭受不同故障的响应特性分别进行仿真,故障包括送端交流故障、直流线路故障、受端LCC交流故障、受端MMC1交流故障及MMC1紧急闭锁退出。最后,基于仿真结果,对上述5种协调控制策略的适用性进行了对比分析。仿真结果表明:策略1和策略3遭受各种故障均能有效穿越;策略2、策略4和策略5在遭受直流线路故障时均发生不同程度的功率倒转,需要采取措施抑制。     

电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略

交流电网不对称故障工况下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)存在相功率不均衡的问题,常规的基于直流环流注入的调控方法会引起桥臂电流不对称,导致各相电流应力不相等;而基于零序电压注入的方法可能导致系统过调制,危害系统安全稳定运行。针对传统相功率均衡控制策略的局限性,提出一种交流电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略。首先,分析基于零序电压和直流环流注入的MMC相间功率调控原理,指出不同方法单独进行相间功率均衡的局限性。其次,研究零序电压注入方法的过调制边界,引入相功率分配系数,给出不同故障下相功率系数优化方法,提出基于零序电压和直流环流注入协调的MMC自适应相功率均衡控制策略。最后,通过仿真验证了机理分析与所提控制策略的正确性和有效性。     

扩展模块化多电平矩阵变换器低频运行范围的控制方法

模块化多电平矩阵变换器(M~3C)电容电压各频率纹波幅值与对应频率成反比。当M~3C低频率连续运行至输出/输入频率比接近1/3时,差频(输入频率与输出三倍频之差)电容电压波动幅值趋于无穷大,导致M~3C难以正常运行,也阻断了输出二倍频纹波电压的连续抑制。提出一种基于电容电压分层解耦控制和桥臂电流独立控制的M~3C控制方案,电压外环通过直接反馈控制输出相间的输出二倍频纹波电压(或瞬时功率),并闭环实现电流指令重构,消除了1/3频率比及其附近的不连续工作点,提高了M~3C低频率连续运行的频率范围。最后通过半实物实验验证了该方法的有效性。     

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。     

MMC柔性直流输电系统网侧故障时紧急功率支援控制

为了解决MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter Based on HVDC,MMC-HVDC)交流侧系统故障时的过流问题,以及增强MMC换流器的低压穿越能力,通过对换流器功率数学模型及控制方式进行分析,发现了换流器有功和无功功率解耦的PI控制方式。提出了当交流侧发生对称和不对称故障时,通过控制PI值限制功率输出,同时由交流电压偏差有效值生成正负序补偿电流的紧急功率支援控制策略。将这种控制策略添加到电磁暂态仿真系统当中,当系统网侧发生对称或不对称故障时,利用数值仿真技术分析了换流器阀侧的电能质量。仿真结果验证了所提出的控制方法对故障时过流抑制的有效性,同时增强了换流器的低压穿越能力。