三次谐波注入应用于MMC-HVDC的研究

如何最大程度地利用子模块中的半导体器件,是实际使用MMC-HVDC(模块化多电平换流器的高压直流输电系统)中一个关键问题。针对这个问题,从桥臂电流的大小以及换流器阀损耗两方面,研究了稳态运行时三次谐波注入对MMC-HVDC的影响∶介绍了MMC的数学模型,并且详细分析了三次谐波注入技术及其在MMC中的应用;采用解析计算方法,从桥臂电流以及换流器阀损耗的角度,分析了三次谐波注入的优势;针对几种拓扑,分析比较了三次谐波注入技术的优劣。计算结果表明,在稳态运行时,注入三次谐波能够减小桥臂电流,减小换流器阀损耗,因此该方案具有一定的实际工程价值。     

适合MMC型直流输电的灵活逼近调制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑是一种优秀的换流拓扑,其多电平结构能极大减小谐波,是柔性直流输电的应用热点。以往的调制方式,要么开关频率较高,要么未能实现开关频率与模块电压波动幅度间的协调,要么实现复杂难于实际应用。为此,提出灵活逼近调制策略(flexible approach modulation,FAM)。该策略能够使模块电压在允许范围内波动,实现模块开关频率最小的目的。通过分析FAM的谐波特性和模块开关频率特特性,指出改变FAM的逼近因子可以改变谐波畸变率、开关频率。仿真及实验结果表明,对于确定的MMC系统,在模块电压波动允许范围内存在最小开关频率,FAM通过整定逼近因子就能获得此开关频率,即FAM方式能充分发挥各个模块作为能量交换单元的作用,极大地减小开关频率,降低开关损耗。     

低电容用量高纹波MMC的三次谐波电压注入方法

针对高纹波模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)在感性工况下输出电压能力和功率能力受限问题,对基于三次谐波电压注入的高纹波MMC进行了研究.考虑了MMC电容电压波动的影响,对三次谐波电压注入下MMC电压的输出能力进行了分析,揭示了在不同运行工况下三次谐波注入对MMC最大调...     

三次谐波注入对MMC运行特性的影响

目前,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的传输容量主要受功率半导体器件通流容量的限制。一种可行的办法是通过三次谐波注入提高MMC的传输容量。为此,首先研究了三次谐波注入对系统稳态特性的影响,包括三次谐波注入后二倍频环流抑制控制对调制波电压以及基频电压幅值的影响,以及三次谐波注入对子模块电容电压谐波特性的影响。然后,以换流器直流侧故障为例,研究了三次谐波注入对系统暂态特性的影响。最后,在PSCAD中搭建了张北四端MMC直流电网模型,在稳态和暂态运行工况下对三次谐波注入调制策略的影响进行了仿真验证,结果表明三次谐波注入在抑制暂态故障电流以及提升传输容量方面有积极的效果,但二倍频环流抑制的投入会在一定程度上限制三次谐波注入对传输容量的提升作用。     

一种以优化MMC-HVDC运行特性的谐波注入调制策略研究

针对柔性直流输电的输送容量主要受到电力电子器件通流能力限制的问题,提出了一种三次谐波注入调制策略。分析了三次谐波注入调制策略的原理,研究了三次谐波注入调制对MMC-HVDC系统运行的影响,包括对比了三次谐波注入调制和传统正弦波调制策略下MMC的桥臂能量波动、子模块电容电压和桥臂电流的特性差异。在PSCAD中搭建系统仿真模型,分别在稳态和暂态运行工况下对上述理论分析进行验证,结果表明三次谐波注入调制策略对MMC-HVDC系统运行特性的优化具有积极作用。     

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。     

基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统设计

换流阀是柔性高压直流输电工程中完成电能变换的核心模块,其运行可靠性直接关系到整个直流输电系统的稳定性,因此需对换流器阀进行严格的型式试验.运行试验是型式试验的重要一环,主要检测换流阀对电流、电压和温度应力的耐受情况.依据模块化多电平换流器(MMC)型电压源换流阀实际工程运行工况,采用等效试验的方法,设计了一种基于MMC...     

基于MMC的三端柔性直流输电系统建模与仿真

研究了MMC的电路拓扑结构、运行特性以及充电原理,在PSCAD仿真平台上搭建了MMC在三端柔性直流输电系统中的模型。该三端系统由两个送端一个受端组成。两个送端均采用定有功功率和定交流电压的控制方式,受端采用定直流电压和定交流电压的控制方式。系统级控制器采用直流电压偏差控制。每个换流站都采用最近电平逼近调制方法控制模块投入与切除,采用排序的平衡控制原理均衡各子模块电容电压。对直流侧单极母线进行了接地故障仿真,并分析了对系统运行的影响。仿真结果同时验证了该模型的正确性,MMC能在三端柔性直流输电系统中稳定运行,各子模块电压波动较小,有功、无功控制量均能跟随控制目标,该模型所采用的控制策略的性能良好。     

模块化多电平变换器三次谐波注入调制策略研究

相比于正弦调制策略,三次谐波注入调制策略可有效提高直流侧电压利用率、提高模块化多电平变换器（MMC）的容量,但输出电压、电流引入了高次谐波分量。子模块电容电压的波动过大将导致电容容量增加、成本增加,为此研究了高次谐波分量对MMC暂态特性的影响,尤其是对子模块电容电压波动的影响,并在PSCAD中搭建了仿真模型,仿真结果表明：采用三次谐波注入调制策略将在输出电压、输出电流中引入高次谐波分量,提升了MMC的传输容量,而且抑制了子模块电容电压波动,提升了MMC的工作特性。     

MMC-HVDC三相解耦二次谐波环流抑制算法

随着模块化多电平换流器(MMC)高压直流输电工程电压等级和输送容量的大幅提升,其拓扑结构中的桥臂串联子模块数急剧增加,使得整个换流阀的控制系统更加复杂,子模块电容电压均衡及二次谐波环流抑制等技术问题将更加突出。如果采用传统的最近电平逼近调制(NLC)策略对换流器进行控制,MMC内部存在明显的二次谐波环流。为了抑制二次谐波环流,假设环流中只含有直流分量,根据换流器交、直流侧瞬时功率平衡,推导出直流环流电流的计算公式,进而分别求得上、下桥臂子模块电容电压的参考值,该参考值在一个工频周期内围绕某一恒定值呈周期性变化,可使得各子模块电容电压的不均衡程度明显降低,二次谐波环流得到有效抑制。与传统的NLC策略相比,文中算法可以降低子模块电容电压的波动幅度,改善交流侧输出电压、电流的波形。当电容器容值存在差异时,文中算法还可以减小容值较小的电容器投入运行的时间,延长其寿命。最后,仿真结果验证了文中算法的有效性。     

模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计

换流器阀组是柔性直流输电系统的关键设备。文中介绍了模块化多电平换流器阀组的基本原理和组成结构,基于舟山五端柔性直流输电工程对阀组过电流和过电压故障进行了仿真、分析研究,提出了阀组保护的关键需求,以此为基础构建了由子模块控制电路、阀控系统及柔性直流控制保护系统组成的多层次的完整的阀组本体保护系统及保护策略,提出了系统性的过流保护策略和系统性过电压判据,有效提高了阀组的过电流、过电压穿越能力。阀组保护系统及保护策略经过了±6kV两端柔性直流输电系统的试验验证和舟山、南澳工程现场试验的验证。     

降低模块化多电平换流器子模块电容值的控制方法

模块化多电平换流器(MMC)因必须对子模块电容电压波动范围进行限制,导致所需的子模块电容值较大,带来较大的成本和体积问题。提出了一种降低MMC所需电容容量的运行方式和参数设计方法。所提方法将子模块电容电压直流分量的实际运行值适当降低一定的比例,使电容电压波动的最大允许幅度增大,使选择较小的电容值成为可能。详细分析了所提方法的运行方式。为使所提出的降低电容容量的运行方式能够更好地实现,还提出了一种可以实现交流端口电流、直流端口电流和内部环流解耦控制的桥臂瞬时电流直接控制方法。通过这一方法可以直接控制换流器的内部环流分量,并能够动态调节各桥臂子模块电容电压。通过RT-LAB平台对所提出的运行方式进行了详细的仿真研究,验证了其可行性和有效性。     

基于补偿原理的MMC-HVDC系统不对称故障控制策略

为提高模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统交流侧发生不对称故障时控制系统的运行特性,研究了电网发生不对称故障下的负序电流抑制和直流电压稳定的控制策略。针对双序内环电流控制系统需要进行电压电流的旋转变换且d轴和q轴之间存在耦合的问题,设计了二阶复数滤波器对电网电压的正负序分量进行提取,并采用电压补偿原理对提取出来的负序分量设计了负序内环电压控制器,对双序内环电流控制器进行了有效的改进,简化了控制系统的结构。为实现不对称故障下直流电压的稳定,基于模块化多电平换流器(MMC)低频连续模型,在不对称故障下推导出桥臂功率和子模块电容电压中均含有二倍频的负序波动分量和二倍频的零序波动分量,进而设计了二倍频零序补偿控制器。在PSCAD/EMTDC中搭建了上述控制器,仿真结果表明所提出的控制策略可以有效抑制负序电流、稳定直流母线电压。     

双极MMC-HVDC系统站内接地故障特性及保护策略

针对双极柔性直流输电系统模块化多电平换流器(MMC)交直流出口接地故障,研究了换流器闭锁后的电压电流暂态特性,并推导了故障分量的数学解析式。研究结果表明,交流出口发生单相接地故障时,换流器闭锁后非故障相上、下桥臂分别出现了过电压和过电流现象,并且交流侧电流出现直流偏置导致故障相短路电流不存在过零点。直流出口发生单极接地故障,换流器闭锁后桥臂短路电流主要由交流系统注入的稳态电流和上下桥臂电抗间衰减的环流构成。针对交流出口发生单相接地故障这一特殊的故障特性,提出了一种选相跳闸保护策略,解决了故障电流不存在过零点时交流断路器无法正常断开的难题。最后搭建了张北四端环网结构柔性直流电网仿真模型,仿真结果验证了换流器出口故障特性分析的准确性以及所提选相跳闸保护策略的有效性和可行性。     

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。     

MMC-HVDC系统主设备参数的非线性规划设计方法

模块化多电平换流器(MMC)已成为柔性直流输电系统的主流拓扑结构,其主设备参数的设计对系统的投资和运行性能具有决定性作用。基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMCHVDC)系统关键主设备参数包括联接变压器二次侧额定电压、变压器漏抗、桥臂电抗、子模块电容等,单个主设备参数的独立设计忽略了不同设备多个参数之间的耦合特性。文中构建了不同设备多个参数设计的约束方程组和目标函数,并提出了基于非线性规划法对MMC-HVDC系统主设备参数设计的整体算法,该整体算法综合考虑多个参数和不同设备设计原则之间的耦合特性,从而达到可靠的优化设计结果。最后针对某MMC-HVDC系统工程进行了参数优化设计,基于PSCAD/EMTDC的计算和仿真结果基本吻合,验证了所提算法的有效性。     

柔性直流输电系统的联网和孤岛运行通用控制策略

针对当前柔性直流输电系统缺乏在联网和孤岛运行条件下的通用控制策略的现状,根据高压电网的特点引入了交流侧的频率—有功功率的下垂控制和直流侧的有功功率—直流电压的下垂控制,并由此提出了柔性直流输电系统联网和孤岛运行的通用控制策略。该控制策略可有效适用于换流站的联网和孤岛运行工况,且能够与电网的一次调频、二次调频配合工作,适用于孤远电网及海上风电场等弱电网互联情况。电磁暂态仿真结果表明,该柔性直流输电系统通用控制策略可实现对柔性直流输电系统联网和孤岛运行工况的有效控制。     

大容量架空线柔性直流输电关键技术及前景展望

柔性直流输电技术(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)应用于远距离大容量架空线输电是实现我国能源资源优化配置的客观要求,也是电网技术发展的未来趋势。目前柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合所面临的关键问题有:直流线路故障难以快速清除、输送容量难以与传统直流输电相媲拟、主接线方式和接地方式选择原则还没有定论等。针对问题1,分析现有工程所采用的拓扑结构在直流故障下的脆弱性,重点综述具有直流故障穿越能力的拓扑结构。根据其处理直流故障的特点将其划分为3种基本类型。对比分析几种典型拓扑的优缺点。针对问题2和3,为实现高电压大容量输电任务,提出基于组合式换流器的双极结构拓扑。该结构内每极由若干基本换流单元(basic converter units,BCU)串并联构成,接地极线从上下正负极结构中间引出。分析4种单元扩展的方式。综述可行的接地方式及其优缺点。最后,结合我国电网结构特点和能量流动特点,分析两种基本的柔性直流系统结构,指出其所面临的挑战和机遇。