基于谐波状态空间的MMC小信号阻抗建模

模块化多电平变换器(MMC)的小信号阻抗建模是分析基于MMC的电力电子系统谐振和稳定性的关键.针对MMC阻抗建模中不能全面考虑桥臂电流和电容电压中稳态谐波分量的影响问题,引入谐波状态空间(HSS)建模方法来描述多谐波耦合特性.首先对基于HSS的MMC模型进行了介绍.随后在提出的MMC HSS模型的基础上,建立了MMC的小信号阻抗模型,该模型能够包含MMC内部的所有谐波,并全面考虑了交流电压闭环控制方案对其影响.提出的模型揭示了MMC内部动态特性和控制动态特性对MMC阻抗的影响.最后,通过仿真和实验对所提出的阻抗模型进行了验证.     

双闭环定交流电压控制下MMC换流站阻抗建模及稳定性分析

风电系统接入基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流(HVDC)输电系统是极具前景的输电方案,同时也面临较为突出的系统稳定性问题。小信号阻抗分析法是研究互联系统稳定的有效办法。然而,MMC的内动态特性使得精确建立其阻抗模型具有较大难度。文中采用多谐波线性化方法建立了采用双闭环定交流电压控制的MMC送端换流站小信号阻抗模型,可实现电流环对MMC阻抗影响的准确分析。针对直驱风机通过MMC-HVDC系统并网的系统,利用阻抗分析法分别分析了MMC电流环不同控制带宽下互联系统振荡的问题,为电流环参数优化设计提供了依据。最后,基于MATLAB/Simulink的仿真结果证明了阻抗模型和稳定性分析理论的正确性。     

基于模块化多电平换流器的直流电网小信号建模

该文提出交流系统三相平衡情况下基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流电网小信号模型通用建模方法。基于模块式的建模思想,将整个系统划分成交流系统、MMC和直流网络3部分,易于扩展,适用于任意拓扑的直流电网。建模过程中考虑了桥臂环流、子模块总电容电压等MMC内部电气动态和锁相环、统一控制器、环流抑制控制器、信号滤波环节等控制系统的动态,为分析各种参数对系统小信号稳定性的影响提供了基础。根据MMC内部电气量和交直流网络的耦合关系,推导MMC的交流侧和直流侧戴维南等效电路,基于等效电路构建MMC与交直流网络之间的连接方程。通过线性化各子系统和连接方程,构建全系统的小信号模型,无需手工推导矩阵的每个元素,大大简化了基于MMC的直流电网小信号建模。以一个四端MMC直流电网为例,通过对比电磁暂态模型与该文方法建立的状态空间模型和小信号模型的阶跃响应,验证所提建模方法的准确性。利用根轨迹和特征值灵敏度分析不同控制方式下MMC控制器参数对该系统小信号稳定性的影响。     

LCC-MMC串联型混合直流输电系统小信号建模

该文建立了整流侧为电网换相换流器(LCC)、逆变侧为LCC和模块化多电平换流器(MMC)串联的LCC-MMC串联型混合直流输电系统的小信号模型.首先,推导LCC的交直流侧等效电路和考虑内部动态特性的MMC的交直流侧等效电路;然后,基于等效电路构建系统整流侧模型和逆变侧模型,并对直流输电线路和控制系统进行建模,通过组合各个部分模型得到全系统模型;最后,通过线性化全系统模型得到全系统小信号模型.通过对比基于PSCAD/EMTDC搭建的电磁暂态模型验证小信号模型的准确性;基于小信号模型,分析MMC定直流电压控制参数、逆变侧LCC定直流电压控制参数、锁相环(PLL)参数和交流联络线参数对系统小信号稳定性的影响.该文所提出的LCC-MMC串联型混合直流输电系统的小信号模型可用于系统的小信号稳定性分析,从而为系统设计和参数选择提供有价值的参考.     

模块化多电平变流器内部动态的阻尼控制方法

建立模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)内部动态数学模型,模型以上下桥臂储能和环流电流为状态变量,分析直接调制和间接调制方式下桥臂电容电压储能的稳定性,考虑数学模型中存在的时变参数均为工频周期变量,采用线性周期时变(linear time periodic,LTP)系统分析方法,通过计算庞加莱(poincare)算子判断系统稳定性。进一步推导MMC内动态误差状态方程,基于此判断出系统阻尼完全由桥臂损耗和等效电阻提供,属于弱阻尼特性,对此,提出基于直流电流反馈的阻尼控制方法,经PSCAD仿真验证所设计控制方法正确,有效。     

联接弱交流电网MMC系统小信号稳定性分析

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)直流输电技术相比于传统直流输电更适用于向弱交流电网供电。该文建立MMC联接低短路比(short circuit ratio,SCR)交流电网系统小信号模型,重点研究联接弱交流电网MMC系统与电压源换流器(voltage source converter,VSC)系统之间的稳定性差异;该文同时首次建立MMC联接低转动惯量的发电机系统小信号模型,研究交流电网惯性对系统稳定性的影响。采用特征根分析法和参与因子分析法对小信号模型进行分析,得到影响联接弱交流电网MMC系统稳定性的关键因素。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建201电平联接弱交流电网MMC系统仿真模型,仿真结果验证了小信号模型的准确性。通过理论分析与仿真验证共得到两个结论:1)当SCR极低、交流电网极弱时,锁相环(phase-locked loop,PLL)控制器参数与子模块电容相互影响导致联接弱交流电网MMC系统易发生高频失稳;2)较小的交流电网转动惯量与外环控制器会发生相互作用,导致联接弱交流电网MMC系统小信号失稳,而通过优化外环控制器参数能够提高系统稳定性。     

基于LTP时域分析方法的MMC并网系统稳定性分析

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有多频率耦合特性,在电力系统中存在多频段不稳定风险。区别于现有建模方法,线性周期时变(linear time-periodic,LTP)时域分析方法在建模过程中既没有忽略多频次成分,也没有作复杂的多频次成分展开,适用于MMC并网系统稳定性分析。本文考虑了基频电流控制器及控制器延时,建立了MMC并网系统LTP时域模型,研究MMC连接强电网和弱电网时控制器参数对系统稳定性影响。利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型,验证了分析结果的正确性。     

MMC-HVDC内部谐波模态识别及其稳定性分析

基于"动态相量"的思想建立对不同环流抑制策略下的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)小信号模型,并通过与时域仿真的对比验证所建小信号模型的精确性。然后对小信号模型进行模态分析,通过计算参与因子将MMC-HVDC系统的模态分为"外部模态"和"内部谐波模态",并表明采用简化MMC端模型无法对内部谐波模态进行分析。另外,对MMC内部谐波模态及其影响因素进行重点详细的分析,分析表明,MMC的内部谐波模态通常呈弱阻尼特性,在系统稳定性分析中不能忽略,换流器的环流抑制策略、等效桥臂电阻、外部主控制器增益等都对内部谐波模态具有较大影响,并揭示MMC的"内部谐波不稳定"现象。最后揭示各因素对MMC内部谐波模态稳定性的影响规律,对工程参数设计和调试具有现实的指导意义。     

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。     

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。     

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。     

基于广义状态空间平均的LLC谐振变换器建模及稳定性分析

LLC谐振变换器在航空航天领域中广泛应用,但LLC谐振变换器固有的非线性特性及输出“小纹波”易造成系统失稳。为准确分析LLC谐振变换器非线性特性及输出“小纹波”问题,引入广义状态空间平均(generalized state space averaging, GSSA)理论对LLC谐振变换器进行建模,将时域非线性状态空间模型转化为GSSA模型。并推导基于GSSA理论的闭环系统小信号模型。通过特征值分析法及Nyquist曲线对元件参数、控制参数及参数耦合对系统稳定性影响进行分析,再利用仿真对模型及理论分析进行验证。仿真结果表明,建立的广义状态空间平均模型可以考虑到系统中“小纹波”因素,具有更高的精度。稳定性理论分析结果与稳定性分析仿真验证结果一致。     

含风电场的多端柔性直流输电系统小信号建模方法

含风电场连接的多端柔性直流输电系统易发生系统失稳现象,构建一个精确的小信号模型分析系统小干扰稳定性是必要的。然而,在建立含风电场的有源直流系统小信号模型时,已有文献大多未对风电场进行建模。据此,文中以平均值模型为基础,在时域下建立了包括风电场在内的直流系统小信号模型。为体现换流器自身损耗,计及直流侧等效桥臂阻抗,提出利用部分直流线路电容简化换流器直流侧模型推导;同时,考虑到风电场接入的影响,引入交流公共耦合点滤波电容。在风电场模型构建上,建立了全功率聚合风电场的小信号模型,与风电场侧换流站构成单个状态空间。算例部分搭建了含风电场三端柔性直流输电系统的小信号模型,与PSCAD模型进行阶跃响应及稳定裕度对比,结果表明所提小信号建模方法能够精确模拟小干扰动态响应,且在系统稳定性分析中性能优越。     

采用直接电流控制策略的MMC-UPFC小信号模型

基于模块化多电平换流器(MMC)的统一潮流控制器(UPFC)大多采用直接电流控制策略,为分析采用该控制时UPFC接入后系统的小干扰稳定特性,针对一般的3节点拓扑UPFC,推导了其外环控制器、内环控制器、MMC和直流系统的小信号模型,并给出了UPFC输出电流的线性化方程。进一步地推导了传统2节点拓扑UPFC的小信号模型,同时给出了UPFC模型与系统其余部分的组合方法,建立了系统整体的线性化模型。最后,通过对一个2机测试系统进行时域仿真和模态分析,验证了所提小信号模型的正确性。     

混合型MMC接入弱交流电网稳定性分析及控制参数优化

针对桥臂由半桥子模块和全桥子模块级联构成的混合型模块化多电平换流器(MMC),首先研究了混合型MMC输电系统小信号建模方法。以一个两端系统为例,基于根轨迹分析,分析了不同控制模式的混合型MMC接入弱交流电网时小干扰稳定性约束下的最大有功功率,并基于参与因子及模式分析得到了不稳定模态的典型参与变量和振荡频率,且进行电磁暂态仿真验证。基于控制参数灵敏度及动态特性影响分析,得到有利于增强小干扰稳定性和提升最大有功传输能力的控制参数优化策略。研究表明:弱电网接入下,混合型MMC逆变运行时失稳主要与q轴控制相关,需减小内环比例控制系数和降低前馈交流电流、电压滤波截止频率;整流运行时失稳主要与d轴控制相关,需增大外环比例控制系数。     

基于平衡理论的双端柔性直流输电系统降阶小信号建模

为了提高直流输电系统小扰动稳定性分析计算效率,建立了直流输电系统小信号降阶模型。文章以双端直流输电系统为研究对象,首先建立了双端柔性直流输电系统小信号模型,然后基于平衡理论将系统状态量按Hankel奇异值数目排序进行阶数选择,经过矩阵变换实现小信号模型的降阶。通过计算全阶系统和降阶系统的主导特征根变化轨迹,验证了降阶系统与全阶系统具有一致的小扰动稳定性。仿真结果表明,降阶前后具有相似的动态响应,验证了降阶模型的准确性。在复杂网络环境下,基于平衡理论的降阶方法不仅减小模型复杂度、提高了计算效率,还可对系统的稳定性进行预判。     

基于谐波传递矩阵的MMC换流站频率耦合特性建模与分析

模块化多电平换流器(MMC)应用于柔性直流输电系统可有效降低输出谐波和开关损耗,同时也带来突出的系统稳定性问题。阻抗稳定性分析方法可用来分析MMC系统运行时产生的稳定问题。现有文献建立的MMC阻抗模型均为正序阻抗和负序阻抗相互解耦的序阻抗模型,并通过单入单出的阻抗稳定判据分析系统稳定性。然而,MMC在低频段呈现较为显著的频率耦合特性,此时正负序阻抗不再解耦,仍使用单入单出的稳定判据无法精确判定系统稳定性。文中通过分析扰动分量与稳态谐波的交互作用,研究了MMC频率耦合产生机理,进一步采用谐波传递矩阵建立了定交流电压控制下MMC频率耦合模型,并分析了频率耦合特性的主要影响因素和对稳定性的影响。最后,基于MATLAB/Simulink搭建的仿真系统结果验证了所建立频率耦合模型精度和系统稳定性分析结果的正确性。     

模块化多电平换流器的交直流侧阻抗模型

模块化多电平换流器(MMC)的阻抗建模是分析基于MMC的电力电子系统交、直流侧谐振及稳定性的基础条件。依据MMC的拓扑结构、运行及控制特性,同时考虑环流控制对MMC交、直流侧阻抗的影响,分别推导了MMC直流侧和交流侧的小信号阻抗解析模型。利用MATLAB/Simulink搭建了三相MMC详细时域仿真模型,采用注入小扰动电压/电流的方法测量MMC交、直流侧的小信号阻抗,与推导的MMC交、直流侧阻抗解析模型的计算结果比较,验证了解析模型的正确性。MMC阻抗模型仿真结果表明:在不加环流控制的情况下,MMC交流侧的小信号阻抗在低频范围内存在谐振峰;而加入环流控制后,该谐振峰能够得到有效抑制。