新型牵引供电系统直流侧二次波动分析与抑制

为解决传统牵引供电系统中存在的电能质量和过分相问题,介绍了一种基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)的新型牵引供电系统。分析了新型牵引供电系统中出现的直流电压、电流二倍频波动问题,主要有两方面原因:一是受端单相H桥型模块化多电平换流器(SPH-MMC)正常工作时内部环流将流入直流侧引起直流电压、电流二倍频波动;二是送端三相MMC因电网电压不平衡时桥臂中存在的零序电压分量造成直流电压、电流二倍频波动。为此,对于SPHMMC基于准比例谐振控制器和二阶广义积分器设计环流抑制控制器;对于三相MMC设计无需锁相环和无需电流正、负序分解的电网不对称故障控制器,利用电压补偿技术设计直流侧二倍频波动抑制器。最后,以三端单相-三相MMC-MTDC仿真模型为例验证该文的分析结果和所提出的控制策略。     

基于正交虚拟矢量的单相MMC系统环流抑制方法

现有的模块化多电平换流器(MMC)的研究大多集中在三相系统方面。提出了一种针对单相MMC系统的基于正交虚拟矢量的新型环流抑制方法,通过分析单相MMC系统环流的固有特点,利用陷波器提取二倍频环流分量,再引入1/4周期延时构造正交虚拟矢量,最终使用比例积分控制器进行环流抑制。此方法不仅能够显著降低桥臂电流的畸变,而且可以减少直流侧的瞬时功率波动,降低了测量器件的数量与成本。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。     

MMC型柔性直流输电系统无源网络供电的直接电压控制

介绍了向无源网络供电的模块化多电平换流器(MMC)型电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)的系统结构和工作原理,引入了MMC的数学模型。提出了MMC无源逆变的直接电压控制策略,其中电压幅值控制由参考信号的直馈和负反馈PI补偿来实现,频率控制通过给定调制信号频率来实现,保证了良好的供电质量。在PSCAD/EMTDC中搭建了向无源网络供电的MMC型VSC-HVDC仿真系统,对有功和无功负荷变化以及交流电压降低等工况进行了仿真研究。仿真结果表明所设计的无源逆变控制器可以向无源网络提供高质量的电能。     

柔性中压直流铁路牵引供电系统分布式协调控制策略

柔性中压直流铁路牵引供电系统可缓解传统工频单相交流25 kV铁路牵引供电系统存在的电能质量问题并取消电分相。针对柔性中压直流铁路牵引供电系统中并联牵引变电所的协调控制问题,提出了一种分布式协调控制策略。该控制策略由两级控制组成,牵引变电所的一级控制通过下垂控制实现负载功率的一次分配。二级控制与相邻牵引变电所进行信息交互,利用有限时间一致性算法,实现各牵引变电所输出电压平均值二次调节。该控制策略在维持牵引网直流电压稳定的同时,实现负载功率的就近分配,减小了系统供电损耗。当某牵引变电所超负荷或故障退出时,可由距其最近的牵引变电所补充出力,避免供电中断事故,提升了牵引供电系统的供电可靠性。进一步地,建立详细的柔性中压直流铁路牵引供电系统仿真模型,模拟真实的机车运行工况,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

一种模块化级联H桥构造的三相—单相同相牵引供电系统

为解决高速、重载电气化铁路负序、谐波和无功等电能质量问题,依据三相对称补偿理论,并结合H桥构造,提出了基于模块化级联H桥的三相—单相同相牵引供电系统。分析了系统补偿特性及工作原理,研究了直挂型"!"联结的有源补偿装置(MMCHC)拓扑结构,推导了子模块参数确定方法,并给出了系统控制策略。通过直挂补偿装置将三相牵引变压器转换为单相供电,节省了匹配变压器的容量为补偿容量的2倍。仿真表明,补偿装置在牵引和再生制动工况下均具备良好的补偿特性和动态性能,消除了牵引负荷引起的负序、谐波和无功分量,且子模块电容电压稳定在2%以内。     

采用MMC变流器的VSC-HVDC系统故障态研究

在交流侧系统电压发生不对称故障时,对基于模块化多电平变流器(MMC)的轻型直流输电系统(VSC-HVDC)的控制进行了研究.基于MMC的系统数学模型,针对故障系统中存在零序电流通路的特点,提出了故障时的系统正负零序控制器.为在故障时尽量保持原有有功功率的传输,并保证故障电流满足系统安全运行的条件,提出了故障时的系统有功功率控制策略.通过仿真软件PSCAD/EMTDC验证了所提控制器和控制策略的有效性.     

MMC与混合式直流断路器开关操作的瞬态电场实测及其在状态监测中的应用

文中对换流站中模块化多电平电压源型换流器(modular multilevel converter,MMC)和混合式直流断路器中IGBT开关操作产生的瞬态电场进行实测,并分析其在设备状态在线监测中的应用。首先,证明换流站中开关瞬态电场属于准静态场,且与设备电压之间存在线性关系,为基于开关瞬态电场状态监测方法提供理论基础。进一步,在舟定换流站人工短路试验中,对MMC高频电场波形和直流断路器开关瞬态电场脉冲进行实测。分析MMC不同工作状态下高频电场信号特征,特别发现高频电场信号中包含通过换流站自带录波系统不易测量的高次谐波信息。另一方面,发现基于开关电场脉冲的陡峭脉冲前沿,可测量MMC和直流断路器闭锁时刻,误差小于0.005ms。因此,基于瞬态电场测量方法可以在一定程度上弥补换流站自带录波系统测量带宽有限的缺点,补充系统高次谐波等运行信息,提高设备闭锁时刻测量精度,在MMC和高压直流断路器等设备在线状态监测中具有潜在应用价值。     

适用于现场可编程门阵列的MMC电容电压平衡控制方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在HVDC输电中得到了广泛的应用,文中针对MMC存在的电容电压均衡问题,从工程角度出发,提出了一种适用于现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)的电容电压均衡控制算法。该算法采用动态分组排序,可有效降低排序的运算量和提高排序速度;同时算法中又遵循了避免不必要的开关动作的原则,可降低器件的开关频率和减小开关损耗。最后,基于RT-LAB实时仿真系统构建了一个基于MMC-HVDC的双端风电场并网系统硬件在环半实物仿真平台,在该平台上验证了所提排序算法的可行性,同时在稳态和暂态工况下,验证了基于MMC-HVDC的风电场并网系统的控制效果。     

单相H桥型MMC直接功率控制策略研究

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的研究主要集中在三相系统,很少有文献对单相MMC展开分析研究。文章分析了一种单相H桥型MMC的拓扑结构,建立其数学模型;通过构造和实际交流量成正交关系的虚拟交流量,提出一种基于αβ坐标系的直接功率控制(Direct Power Control,DPC)策略;单相MMC桥臂电流中的二次分量将流入直流侧,为此利用准比例谐振控制器设计环流抑制器;最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,结果验证了所提出控制策略的有效性。     

两相坐标系下MMC环流抑制策略

MMC的相间环流具有二倍频负序性质,不会对外电路造成影响,但会增加电容电压、桥臂电流的波动程度以及系统损耗和电磁干扰,降低了MMC运行效率和使用寿命。在αβ坐标系下,将载波移相调制策略和排序算法相结合,采用比例谐振积分控制器,提出了一种无需旋转坐标变换的环流抑制策略。最后在MATLAB/Simulink中搭建了MMC-HVDC仿真模型,仿真结果表明所提策略的正确性和有效性。     

基于模块化多电平换流器的牵引供电系统电能质量治理方法

针对铁路牵引供电系统高压大功率的特点,基于模块化多电平换流器(MMC)设计了两相三桥臂功率调节装置,以消除铁路牵引供电系统中负序、无功功率及谐波电流。分析了机车负载电流在旋转坐标系下的特点,使用了一种基于二阶广义积分器及直流积分器的信号提取方法,可以快速地得到功率平衡及无功功率、谐波消除的补偿信号。设计了静止坐标系下基于MMC的两相三桥臂铁路静止功率调节装置的控制系统,最终,通过实时数字仿真系统(RT-Lab)进行实时仿真及样机实验,验证了算法的有效性及系统的补偿性能。     

用于城轨直流牵引系统的混合型MMC全桥子模块比例设计方法

城市轨道交通直流牵引供电系统是一个低电压大电流系统,受制于开关器件的通流能力,两电平变流器的单台容量难以满足需求。由全桥子模块和半桥子模块组成的混合型模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）可用于调制比大于1的系统中,利用全桥子模块的负电平输出能力,可以提高交流电压或降低直流电压。针对可用于城市轨道交通直流牵引供电系统的混合型MMC,提出一种全桥子模块比例的设计方法,满足高调制比稳态运行的需求和直流故障清除能力的需求,选取了常见的1 500 V地铁系统作为算例,选取3组参数,在PSCAD软件中搭建仿真模型,验证了设计方法的正确性。     

基于模块化多电平换流器的牵引供电负序治理

为解决牵引变的负序问题并补偿无功功率,采用两组单相模块化多电平换流器MMC背靠背连接构造铁路功率调节器RPC,直接接入牵引网。首先,建立了单相MMC数学模型;然后通过二阶广义积分构造正交虚拟分量,将其转换到旋转坐标系下,设计双闭环控制器,并以V/v牵引变为例,定量分析并补偿有功和无功;最后,在Matlab中搭建了基于MMC-RPC向V/v牵引变提供负序治理及无功补偿的仿真系统。仿真结果证明了MMC运用到RPC的可行性以及控制策略的有效性。     

基于MMC的背靠背柔性直流输电系统控制策略

首先研究了基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电系统的基本控制策略。然后,分析了背靠背MMC-HVDC输电系统的特性,其整流侧换流器与逆变侧换流器的控制系统可共用机柜,因此能实现两侧换流器控制信号的无时延共享。在此基础上,针对背靠背柔性直流的应用需求,提出了一种适用于背靠背MMC-HVDC的控制策略。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了背靠背MMC-HVDC系统仿真模型,验证了所提控制策略的控制效果。     

模块化多电平变流器的直接功率控制仿真研究

新型模块化多电平变流器(modular multilevelconverter,MMC)通常采用双闭环矢量控制策略,针对该方法存在的需调整控制参数较多、动态响应慢等问题,研究MMC的直接功率控制策略及电容电压平衡方法。首先,将现有的桥臂模块电压排序法与参考信号中叠加平均值控制量的方法进行综合,控制电容电压平衡;然后,在桥臂内电容电压相互平衡的基础上,利用双闭环PI调节器控制桥臂间各电容电压保持一致并跟踪给定,使电压波动范围明显减小,提高变流器输出波形质量;最后,将变流器虚拟磁链直接功率控制策略应用于MMC。研究该种拓扑结构下的功率估计方法,并利用Matlab对所设计系统进行仿真验证,结果表明所提控制方法正确、有效。     

基于MMC欧拉-拉格朗日模型的HVDC不对称故障控制

基于模块化多电平换流器(MMC)的稳态数学模型,建立了MMC离散化数学模型,并基于模型设计了MMC电流内环离散控制器。针对MMC直流输电故障时系统中存在的负序电流,提出了基于MMC欧拉—拉格朗日模型的正负序无源控制器。为保证故障时系统仍能安全传输指定的有功功率,采用了故障时的有功功率控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC环境下搭建了21电平模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统仿真模型。仿真结果表明,所述控制策略在稳态和暂态过程中具有良好的控制效果,且结构简单,对实际工程具有一定的参考价值。     

基于混合式MMC的混合高压直流输电系统启动策略

针对与有源系统相联的混合直流输电系统,以全桥子模块和半桥子模块混合的模块化多电平换流器(MMC)为例,详细分析了其预充电启动过程,给出了每个阶段直流电压的一般数学表达式,从数学上证明了其与半桥子模块或全桥子模块构成的MMC的内在联系。分析了基于全桥子模块和半桥子模块混合的MMC在不同混合比例下其预充电过程中可能存在的过压或欠压问题,提出了5种解决措施。同时就混合直流输电系统运用于向无源系统供电和作为"黑启动"电源的应用场合,分析了其预充电启动过程,并提出了具体实现方法。最后通过PSCAD/EMTDC对相关分析进行了仿真验证。     

模块化多电平换流器的直流侧主动充电策略

柔性直流输电工程中,无源端的换流阀通过有源端进行预充电,子模块电压最多只能充到额定电压的一半。如果按照正常解锁逻辑,会产生非常大的直流过电流,因此必须通过主动充电策略将子模块的电压充到额定值。文中结合模块化多电平换流器直流侧不控充电及正常运行的特点,设计了通过逐步递减投入子模块个数的直流侧主动充电策略,可以实现无源端换流阀从直流侧不控充电状态至正常解锁运行状态的平滑过渡。同时,分析了直流侧主动充电过程的桥臂电流特性。最后,通过仿真和实际工程应用验证了设计的直流侧主动充电策略的可行性。