MMC-UPFC接地设计及其站内故障特性分析

统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)是一种能够独立、快速、精确、连续控制系统电压和潮流的第3代FACTS装置,基于模块化多电平(modular multi-level converter,MMC)的UPFC(简称MMC-UPFC),更加适合高压大容量的输电领域。根据MMC-UPFC的功能需求,参考MMC-HVDC接地方式,提出3种可行的MMC-UPFC接地方案,分别为联接变压器阀侧绕组星接接地、交流侧大电抗接地和交流侧接地接地变压器接地,并探讨3种接地方式下联接变压器的绕组形式和接地阻抗。然后结合仿真,在3种接地方式下分别对站内交流母线单相金属性接地和直流单极接地的故障特性分析,得出接地阻抗和阀内外部电气量的关系。结合故障性能和国内技术能力对3种接地方式进行比较,得出联接变压器阀侧绕组星接接地是MMC-UPFC较优的接地方案,并提出改进建议。     

基于MMC的最近电平逼近调制谐波特性分析

介绍了基于MMC的最近电平逼近调制的原理,对输出相电压进行数学分析,并推导出仅与电平数相关的通用数学表达式;在调制过程中对子模块电容电压进行排序,进而选择子模块的投切状态以完成稳压控制,理论分析控制过程。在PSCAD/EMTDC仿真软件下搭建了基于MMC的NLM单端逆变系统,通过仿真,对输出电压谐波特性以及电平数量对谐波的影响进行分析,结果表明谐波特性与理论计算值相一致,验证了表达式的正确性。     

基于混合调制策略的MMC-UPFC谐波特性改善研究

统一潮流控制器在提升电网输电能力,提高电力系统稳定性方面展现出了当今柔性交流输电领域的最高水平。南京220kV UPFC工程自建成投运以来,有效解决了西环网南北通道潮流分配不均的问题。不足之处在于,当串联补偿电压较低时,输出电压将含有较大的谐波成分,影响系统电压质量。本文通过研究不同调制比下MMC-UPFC的谐波特性,基于最近电平逼近调制与引入虚拟循环映射的载波层叠调制提出一种新型的双阈值混合调制策略,用于改善MMC-UPFC在低调制比下的谐波特性。结合南京西环网UPFC实际工程参数,从理论和仿真分析两方面验证了所提出混合调制策略的适用性和有效性。     

最近电平逼近调制的基波谐波特性解析计算

随着模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型直流输电工程的出现,高电平数换流器将在电力系统中得到越来越多的应用。最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)是一种适合高电平数换流器的阶梯波调制策略,其实时控制触发方式用于理论研究,而其等间隔控制触发方式适合用于数字实现。为此推导了阶梯波调制的通用Fourier级数解析表达式,在PSCAD/EMTDC下搭建了基于NLM的两端MMC直流输电仿真系统。利用解析计算和仿真两种方法研究了实时控制触发和等间隔控制触发下NLM的基波和谐波特性。理论计算和仿真研究表明,间隔时间越大,阶梯波对调制波逼近的延迟越大。这会造成阶梯波的基波幅值偏差和总谐波畸变率变大,并且使系统的连续调节能力变差。基波幅值偏差过大会导致控制系统不稳定,因此在条件允许的前提下,等间隔控制触发选用适当小的间隔时间是有必要的。     

基于叠加逼近调制的模块化多电平换流器谐波环流抑制策略EI北大核心CSCD

提出了一种采用改进的最近电平调制技术(nearest level modulation,NLM)的叠加逼近调制策略,能够抑制模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的谐波环流。首先对基于传统NLM的MMC进行解析分析,指出当采用传统NLM时,上、下桥臂电压的实际输出值与控制器参考电压之间会出现偏差,且偏差中的二倍频成分是产生二倍频环流的根本原因。据此,提出了一种叠加逼近调制策略,使上、下桥臂实际输出电压与参考值一致,并从能量平衡角度论证了当采用叠加逼近调制策略时,桥臂中无二倍频环流。以厦门柔直示范工程的电磁暂态仿真算例验证了所提算法的正确性,为下一步的实际工程应用奠定了基础。     

模块化限流式统一潮流控制器的改进调制与控制策略研究

统一潮流控制器(UPFC)能灵活调节电网潮流,是能源互联网的重要设备。提出了一种模块化多电平换流器与固态限流器相结合的模块化限流式统一潮流控制器的拓扑结构。首先分析该拓扑结构的工作机理,推导出系统的数学模型。提出一种改进型最近电平调制策略,能有效提高交流输出电压的波形质量。根据数学模型提出了MMC-UPFC的串并联侧的控制策略。同时,提出了交流系统故障时,限流器的控制策略。最后在PSCAD/EMTDC平台建模仿真验证所提拓扑结构、调制策略及控制策略的有效性。     

模块化多电平变换器输出电流谐波优化调制策略对比与分析

在模块化多电平变换器中广泛使用了最近电平逼近调制与载波移相脉宽调制。当子模块数较少时,输出电流谐波含量高,通过优化调制策略来改善输出电流的谐波含量具有重要意义。本文首先对比分析了输出2N+1电平最近电平逼近、滞环控制原理最近电平逼近、改进型载波移相脉冲宽度调制、混合型最近电平逼近-脉冲宽度调制以及一种无差拍电流控制调制的工作原理和工作特点;然后,在Matlab/Simulink平台搭建5种调制策略在子模块数较少时的仿真模型;其次,针对阀控周期、子模块数、开关频率以及电感值等参数对模块化多电平变换器输出特性的影响,分析了不同调制策略之间输出电流谐波特性的差异及共模电压等;最后,总结了5种调制策略各自的特点和适用场合。     

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。     

基于混合子模块的MMC故障阻断及谐波特性分析

针对模块化多电平换流器(MMC)所存在的直流侧故障无法自清除的问题,许多新型的子模块拓扑在原有半桥型子模块(HBSM)的基础上进行调整修正,利用其自身的拓扑特点,在直流侧发生短路故障时通过使短路电流给子模块电容充电的方法实现故障电流的快速阻断。在研究了众多新型子模块拓扑的基础上,设计了电流阻断能力较强的新型子模块。并考虑了损耗特性,采用新型子模块与HBSM结合的混合拓扑结构,从调制策略到谐波特性以及故障阻断性能进行了分析。推导了各次谐波电压幅值的表达式,并通过仿真验证了其准确性与实用性。     

大功率MMC换流站最近电平调制策略研究

介绍了模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的基本拓扑结构和工作原理。针对脉冲宽度调制在大功率MMC换流站中应用的一些弊端,如开关频率过高,由于复杂性难以实现等,提出了最近电平调制策略在MMC中应用的实现方法,并对该种调制策略原理、输出电压基波和各次谐波进行了分析。在PSCAD/EMTDC仿真环境下,搭建了5电平和13电平MMC模型,对提出的最近电平逼近调制策略进行验证。对输出电压质量和各次谐波含量进行了分析,验证了该调制策略的有效性和适用于大功率MMC换流站场合。     

适合城市电网的级联型统一潮流控制器

为提高上海地区10 kV电网的供电可靠性,需要潮流控制能力强的柔性交流输电(flexible AC transmissionsystems,FACTS)装置来实现10 kV电网的合环运行,而统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)就是一种很好的选择。文章对基于H桥级联技术的UPFC拓扑结构进行了研究,通过仿真实验对级联型UPFC的动态性能进行分析和验证。仿真实验结果表明,省略掉串联变压器的H桥级联型,UPFC能够有效控制线路潮流并维持直流电压恒定,采用脉宽调制技术有效消除了中低次谐波。     

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。     

基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的设计

传统基于电压源换流器（voltage source controller,VSC）的统一潮流控制器（unified power flow controller,UPFC）开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低,同时在运行过程中也有遭受短路故障的可能性和风险,特别是在大容量高电压的场合下,极易造成器件的损坏。将模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）引入UPFC中,同时改进MMC的控制策略以适应所提拓扑的要求,同时由于MMC的引入,短路故障的风险进一步加大,因此在MMC-UPFC的基础上设计了限流模块,该限流模块能在系统短路故障下有效地抑制短路电流,且该限流器在正常工作情况下并不会给线路增加负担。整个UPFC的拓扑具有模块化程度高、谐波小、容量扩展、短路快速限流等特点,该文所设计的拓扑增加了系统的可靠性、安全性和经济性。     

具有较低复杂度和开关频率的MMC混合排序均压算法

模块化多电平换流器(MMC)在世界范围内的直流输电中应用已经十分广泛,其中电容电压均衡控制策略是MMC应用的关键技术与难点。文中首先提出了一种分两组的组间比较排序法,称为OF排序法。该方法排序的最大时间复杂度为N-1,但该方法的使用范围受限。因此,在此基础上又提出了一种新型MMC混合排序均压算法。该算法在大幅降低排序时间复杂度的同时还能够降低器件的开关频率。以厦门柔性直流输电工程为例,验证了该算法在多种工况下的正确性。最后,通过仿真计算出新型混合排序均压算法的时间复杂度约为1.45 N,优于现有的其他MMC均压排序算法,并且仿真结果显示该算法还能降低开关频率,约为传统冒泡法的1/2。     

直流配电网中MMC的谐波分析与调制方法设计

将模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）应用于中低压直流配电网时,由于子模块数较少,输出电压低次谐波含量大,电流畸变程度较高,因此为直流配电网中的MMC设计合适的调制方法显得尤为重要。在分析MMC已有的最近电平逼近调制（nearest level modulation, NLM）与载波移相脉冲宽度调制（carrier phase shifting pulse width modulation, CPS-PWM）原理及谐波特点的基础上,提出了基于最近电平逼近的脉冲宽度调制（NL-PWM）方法,并推导了其谐波的解析表达式,给出了MMC调制的设计方法。所提出的NL-PWM方法谐波特性更好,并且均压简单,通用性好,易于与NLM方法相互转换,使MMC可根据实际需求方便地选择输出PWM波或阶梯波。对于中低压MMC,增加模块数和引入PWM波调制均可达到同样的谐波改善效果,文章的谐波分析结果为MMC的调制方法设计提供了理论依据,并引入新的谐波指标,即纯电感负载时电流总谐波畸变率,衡量2种方案的谐波大小。最后给出了6 kV MMC的设计算例,并通过仿真验证了所提出NL-PWM方法的可行性,以及其谐波分析结果的正确性。     

模块化多电平换流器桥臂电抗器参数设计方法

作为模块化多电平换流器(MMC)的重要组成部分,位于换流器桥臂的桥臂电抗器能够起到抑制换流器输出电流谐波以及限制暂态和故障电流的作用,其电感值的选取对于MMC的运行特性极为关键。文中提出了一种能够抑制交流侧电流波动量的桥臂电抗器值的设计方法。通过对MMC拓扑结构和工作原理的分析,对桥臂电抗器进行了简化等效,详细推导了等效电感值与交流侧电流波动量之间的关系,得出了一定交流侧电流波动量条件下的等效电抗器最小值的四阶方程,并利用MATLAB对方程求解,最终得到对应的桥臂电抗器值的下限值。在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端21电平MMC直流输电系统模型,对设计方法的可行性和准确性进行了验证。仿真结果表明,设计的桥臂电抗器能够有效抑制交流谐波电流,且计算值与实验值基本吻合。     

适用高压大容量领域的MMC-UPFC应用可靠性分析

统一潮流控制器(UPFC)是一种高度可控的灵活交流输电装置。针对适用于高压大容量输电领域的双回基于模块化多电平换流器(MMC)的UPFC(简称MMC-UPFC),考虑其备用结构和运行保护原则,并将站外交流系统转化为MMC-UPFC子系统,以传统九状态UPFC可靠性模型为基础,建立改进的双回MMCUPFC七状态可靠性模型。建立MMC-UPFC的节点注入功率模型,并基于该模型将含UPFC的最优负荷削减模型应用到合肥南部电网实例中,验证了MMC-UPFC各运行状态对系统可靠性的改善能力,并进一步研究了MMC-UPFC安装位置对可靠性改善能力的影响。     

基于多端直流网络潮流分布的变斜率下垂控制策略

柔性直流输电(flexible AC transmission system,FACTS)是大规模可再生能源并网的有效技术手段。下垂控制作为多端直流输电系统(multi-terminal high voltage direct current transmission,MTDC)主要的站间协调控制方式,存在直流功率利用率低、直流电压质量较差、易造成系统过电压等缺点。为有效改进下垂控制的控制性能,首先推导直流网络通用潮流计算算法,该算法适用于换流站任意控制方式组合的直流网络。基于潮流计算结果,提出变斜率下垂控制策略。该策略制定了3种控制模式,根据不同需求,通过相关计算,重新分配下垂系数。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建4端直流网络进行时域仿真验证。结果表明,所提出的变斜率下垂控制策略能有效减小稳态误差,并有效预防过电压。     

模块化多电平换流器型直流输电的调制策略

介绍了模块化多电平换流器(MMC)的拓扑结构和工作原理.对MMC可以使用的几种调制策略进行了比较,当MMC用于直流输电这样的高压大功率场合时,需要的电平数很多,而最近电平逼近调制(NLM)正适用于这类情况.提出了NLM在MMC中的实现方法,给出了计算NLM基波和各次谐波幅值的解析表达式,绘出了NLM的基波分量和总谐波畸变率随电平数和调制波幅值的变化而变化的情况.指出了当系统进入严重过调制区时,NLM性能会明显恶化.利用PSCAD/EMTDC下搭建的仿真系统对NLM的基波和谐波特性进行了仿真.理论计算和仿真结果均表明使用NLM策略的MMC在较大的工作范围内都具有很好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平.     

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。