基于PSCAD的模块化多电平换流器仿真研究

作为新一代直流输电技术,基于电压源换流器(VSC)的柔性直流输电(VSC-HVDC)发展前景广阔,特别是模块多电平换流器(MMC),将日趋成熟并广泛应用到输电领域。主要研究模块化多电平换流器系统的主电路参数设计、控制方法和仿真建模方法。在EMTDC/PSCAD平台上,搭建两端模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)的详细仿真模型,通过对模型在额定状态和功率波动状态下的运行结果进行分析,验证了仿真模型的有效性。     

模块化多电平换流器损耗分析

模块化多电平换流器(MMC)是目前比较主流的柔性直流输电换流器结构之一。柔性直流输电换流站损耗中换流器损耗占主要部分,详细分析换流器的损耗特性对于系统设计、冷却装置选型以及探求降损方法都有着重要意义。通过分析MMC各开关器件的工作特性,考虑结温、死区时间、驱动电阻等对换流器损耗的影响,提出了一种基于曲线拟合理论的MMC损耗计算方法,并编制了基于Matlab的损耗计算程序,最后通过算例对MMC损耗进行了定量分析,并对各因素对MMC损耗的影响特性进行了分析。     

模块化多电平换流器的预充电控制

为保证模块化多电平换流器的正常运行(modular multilevel converter,MMC),必须预先对子模块中的储能电容器充电。在分析MMC拓扑及运行机理的基础上,针对单端MMC及其在高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)领域的应用,提出了一种适合工程应用的两阶段预充电方案。仅利用自身交流系统,就可将电容电压快速提升至额定值。同时为避免充电过程中的过电流,对定直流电压控制进行了改进。通过MATLAB仿真,验证了所提方案的正确性。     

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块（半桥、全桥结构子模块）的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25％的IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在PSCAD仿真环境中搭建基于NLM的11电平两端MMC—HVDC输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。     

模块化多电平换流器无锁相环控制策略

电压源型换流器通常在同步旋转dq坐标系中建立控制系统模型。在此控制系统中,锁相环用于跟踪电网电压频率和相位变化,其跟踪精度决定了控制系统的动稳态性能。本文摒弃以往在dq坐标系建立控制器的方法,提出一种新的无锁相环的模块化多电平换流器控制策略,其中外环采用PI调节器,内环在两相静止αβ坐标系中采用PCI调节器。该控制策略无需知道电感的参数,而且不需锁相环也能实现零稳态误差地跟踪参考给定值。     

模块化多电平换流器不对称桥臂的环流稳态分析

在模块化多电平换流器(MMC)上下桥臂的电阻、电感不对称情况下,其桥臂环流的主要成分不再仅包括直流量和2次分量,因此有必要对此时的MMC桥臂环流进行定量研究。通过悬浮电容电压的变化规律,从时域角度构建描述环流特征的二阶微分方程。在稳态情况下忽略微分方程的通解,通过近似处理方法求得微分方程的特解,该特解可以有效地描述环流的稳态特性,即此时环流的主要成分为直流分量、1次分量和2次分量,还给出了此时环流的稳态表达式。通过MATLAB/Simulink平台搭建了仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和有效性。     

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电动态模拟系统

介绍了基于模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电动态模拟系统,该模拟系统为背靠背的试验系统。以实际工程为原型,对交流系统、换流阀、换流变压器及直流电缆进行了等效模拟。并给出了交流系统、直流系统、换流阀、换流变压器的参数设计及模拟比设计。模拟系统采用了和实际工程现场一致的测量系统。介绍了故障模拟以及故障点设置。最后,介绍了动态模拟系统的稳态及故障穿越试验,并与实际工程现场的试验波形进行了对比,表明其能够准确模拟实际工程中的稳态及暂态特性,可以为柔性直流控制保护系统的设计提供试验验证。     

模块化多电平换流器型直流输电电平数选择研究

为分析模块化多电平换流器型直流输电拓扑的输出电压电平数选取原则,在采用基波频率调制方式的基础上,分析了影响换流器输出电压电平数的三个关键因素,即控制器触发频率、子模块个数和电压调制比。推导了影响电平数的两个控制器触发频率临界值,并得出了换流器输出电压总谐波畸变率与上述三个影响因素的关系曲线,为选择MMC-HVDC系统的电平数提供了理论依据。通过PSCAD/EMTDC搭建了MMC-HVDC仿真模型,仿真结果验证了该模型的合理性及上述电平数选择原则的正确性。     

模块化多电平电压源换流器的数学模型

为了得到能够直观反映装置运行规律的数学模型,为装置性能的研究、主电路参数设计及控制系统设计等提供研究基础,将开关函数和瞬时功率结合,建立模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的时域解析数学模型。该模型给出换流器交直流电压、桥臂电流电压、桥臂子模块电容电压总和以及单个子模块电容的电压电流的时域解析表达式,可以正确反映上述各电气量与主回路参数的关系。计算和仿真结果表明,该建模方法是可行的,并具有较高的精确度。     

模块化多电平换流器HVDC直流侧故障控制保护策略

模块化多电平换流器（MMC）是电压源换流器（VSC）的一种新型拓扑。由于MMC与VSC拓扑结构的差异,二者的直流系统故障机制也有所区别,有必要对其故障特性进行深入分析以进行保护设计。文中介绍了MMC的拓扑结构及工作原理,通过比较基于MMC与VSC直流输电系统的故障特征差异,分析了MMC-HVDC不同类型直流线路故障对系...     

模块化多电平换流器电容电压的分布式均衡控制方法

子模块电容电压的均衡控制是模块化多电平换流器(MMC)的关键问题,通常的做法是在中心控制器通过排序法或附加控制量法集中实现电容电压的均衡控制,当级联的子模块数目巨大时,中心控制器存在占用计算资源过多甚至难以实现的问题。提出一种MMC子模块电容电压的分布式均衡控制方法,将电容电压的均衡控制环分散到各子模块控制器中实现,每个子模块控制器仅需要完成自身电容电压追踪桥臂电容电压平均值的控制,均衡控制环简单且占用计算资源小,当级联的子模块数目大幅增加时,中心控制器的计算资源变化较小。通过对基于MMC的双端柔性直流输电系统的RT-LAB仿真结果和物理试验结果验证了所提出的分布式均衡控制方法的正确性和有效性。     

混合型模块化多电平换流器解析建模与功率运行区间分析

混合型模块化多电平换流器(MMC)在远距离大容量架空线输电领域具有十分广阔的应用前景。为定量研究混合型换流器的运行特性,文中提出了混合型MMC动态解析模型和稳态解析模型的建模方法。通过稳态解析模型求解与换流器内部电气量和控制量有关的非线性方程组,实现了在任意直流电压和功率运行点下换流器运行特性的完全解析求解。对比了不同直流电压水平下,电磁暂态模型仿真结果和稳态解析模型的计算结果,验证了稳态解析模型的精确性。研究了考虑多种运行约束条件时混合型MMC的功率运行区间计算方法,尤其考虑了半桥子模块的均压约束。计算了不同直流电压水平下的功率运行区间,分析了各约束条件以及子模块电容、桥臂电抗器、桥臂子模块比例等参数对功率运行区间的影响。     

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。     

基于移相载波的模块化多电平换流器控制方法研究

模块化多电平换流器(MMC)是一种适用于轻型直流输电系统(VSC-HVDC)的新型换流器,笔者在分析其原理的基础上研究了MMC的运行特性,并搭建了数学模型。文中所提出的MMC控制方法采用了移相载波调制策略(CPS-SPWM)的思想,针对MMC的电容电压均衡问题,通过算法重新分配子模块触发脉冲序列,最后仿真验证了该方法的正确性和可行性。     

一种新型模块化多电平换流器调制策略研究

介绍了适用于轻型直流输电系统(VSC - HVDC)的模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构及原理,并提出一种适用于MMC的新型移相载波调制策略(CPS - SPWM).基于MMC的能量均衡和电压平衡问题,还提出了和调制策略相协调的电容电压均衡控制方法,最后通过Matlab/Simulink搭建了MMC仿真模型,结果证明所提出的控制方法可以有效地平衡换流器子模块的电容电压,并且保证MMC外部输出良好的交流电压和电流.     

交直流侧电流分别可控的模块化多电平换流器控制方法

对于模块化多电平换流器应用于柔性直流输电系统,由于已有的控制方法基于每相投入的子模块个数N不变的前提,因此,直流侧电压、电流不能直接控制,冗余模块得不到充分利用.文中提出的交直流电流分别可控的控制方法,其特点是N可变.首先在阀组级控制中合理安排投切子模块的个数、时机和选择方法,使N可以在一定范围内调节,然后在系统级控制...     

MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制

介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压平衡的原理以及子模块(sub-module,SM)电容的充放电过程.指出传统的电容电压平衡控制下,子模块投切较频繁,器件开关频率较高,会造成较大的开关损耗.针对传统方法的问题,提出一种适合MMC型直流输电系统的电容电压优化平衡控制策略,将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上.对电容电压未越限的子模块,优化策略通过引入保持因子使具有一定的保持原来投切状态的能力,以降低开关器件的开关频率.使用PSCAD/EMTDC对优化控制策略进行仿真,结果表明优化平衡控制策略与传统方法相比,可以在基本不增加电容电压波动的前提下,显著降低器件的开关频率.     

适用于MMC多端高压直流系统的精确电压裕度控制

当多端高压直流输电系统用于远距离输电时,直流线路的电压降落以及线路功率损耗会对电压裕度控制的精度带来较大影响,使直流电压不能稳定控制于一点,为此提出一种适用于多端柔性直流输电系统的精确电压裕度控制方法。推导了多端柔性直流输电系统的dq坐标数学模型,基于直流系统潮流计算的思想,充分考虑线路压降和损耗对控制参考值的影响,对电压裕度的取值进行计算,并在控制器中实现裕度修正。在PSCAD/EMTDC环境中建立了基于模块化多电平换流器的三端直流系统仿真模型,仿真结果验证了所提出的控制方法的正确性和有效性,该方法能够有效避免因电压裕度取值不当造成的控制特性偏移,并在系统受到较大功率扰动时可以有效、迅速地转换控制方式,提升系统稳定性。     

模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析

新型模块化多电平换流器(MMC)在直流输电和电能变换领域得到了广泛的研究与应用。但是,由于子模块采用了半桥型拓扑,在直流侧线路故障时,MMC不具有直流故障自清除能力。文中在不改变现有MMC调制和均压策略的前提下,利用续流二极管反向阻断特性和桥臂模块电容充电效应,设计了改进复合拓扑结构,解决了半桥拓扑中电容单向充电问题。通过分析闭锁时储能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系,定义了反映子模块故障抑制能力的电流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同,设计了自励启动方法。仿真结果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。     

模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制

介绍了模块化多电平换流器型直流输电系统（modular multilevel convener based high voltage direct current system,MMC-HVDC）的起停控制策略。启动分为不控启动阶段和可控启动阶段,对不控启动阶段模块化多电平换流器（modularmultilevelconve~er,MMC）的等效电路进行数学建模,得出了限流电阻与最大充电电流之间的数学关系,为限流电阻的选取提供了理论基础。停机分为能量反馈阶段和放电阶段,能量反馈阶段将MMC各子模块电容存储的能量部分反馈回电网,充分利用了MMC子模块储能的优势,提高了能量的利用率。放电阶段,通过一定的触发方式,逐步将能量耗散掉,该方法有效地降低了放电电阻的功率、阻值和耐压水平。最后,对建立的两端有源网络的MMC．HVDC系统进行了数字仿真,仿真结果验证了该启停控制策略的有效性。