模块化多电平变流器HVDC输电系统控制策略

建立模块化多电平变流器（modular multilevel converters,MMCl的电磁暂态数学模型以及采用MMC为变流器的高压直流输电系统（high voltage direct current,HVDC）直流侧电压的动态数学模型。在此基础上,分析HVDC系统的直流侧电压动态特性,给出HVDC控制器参数协调设计原则和算法。最后,基于PscAD／EMTDc的数字仿真结果证明了所提出的HVDC控制系统参数协调设计原则和算法的正确性。     

Experimental Verification of a Front‐to‐Front (FTF) System Consisting of Two Modular Multilevel Cascade Converters Based on Double‐Star Chopper Cells

This paper presents an experimental discussion on modular multilevel cascade converters based on double‐star chopper cells (MMCC‐DSCC). Hereinafter, a single MMCC‐DSCC is referred to simply as a “DSCC”. A couple of DSCCs are used to form a front‐to‐front (FTF) system capable of dc voltage matching and galvanic isolation between two dc grids. The FTF system can be considered as a dc–ac–dc power conversion system including an ac‐link high‐power transformer. The higher the ac‐link frequency, the smaller and lighter are the ac‐link transformer and dc capacitors. When the so‐called “phase‐shifted‐carrier PWM” is applied to the DSCC, theoretical analysis and computer simulation have confirmed that a ratio of the carrier frequency with respect to the ac‐link frequency can be reduced to 5/2. This paper designs, constructs, and tests a 400‐Vdc 10‐kW downscaled FTF system with a carrier frequency of 450 Hz and an ac‐link frequency of 180 Hz, where their ratio is 5/2. Experimental waveforms obtained from the downscaled system are compared with simulated ones obtained from a software package, PSCAD/EMTDC, under the same operating and circuit conditions. They agree well each other not only under steady states but also under transient states.     

A Low‐Speed,High‐Torque Motor Drive Using a Modular Multilevel Cascade Converter Based on Triple‐Star Bridge Cells (MMCC‐TSBC)

This paper provides an experiment‐based discussion on a modular multilevel cascade converter based on triple‐star bridge cells (MMCC‐TSBC) for a low‐speed high‐torque motor drive. The TSBC is a direct ac‐to‐ac power converter capable of achieving bidirectional power flow as well as drawing and feeding three‐phase sinusoidal input (supply‐side) and output (motor‐side) currents with any power factor at both sides. This paper discusses active dc‐capacitor‐voltage control applied to the low‐speed, high‐torque motor drive. A specially designed downscaled system combining a 320‐V, 38‐Hz, 6‐pole, 15‐kW induction motor with a 400‐V, 15‐kW TSBC is constructed and tested to confirm the validity of the motor drive. Experimental waveforms obtained from the downscaled system confirm stable operation with the rated load torque across a range from a standstill to the rated speed, including satisfactory start‐up performance.     

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.     

模块化多电平矩阵变换器输入输出频率相近时低频运行控制策略

提出了一种模块化多电平矩阵变换器(M3C)输入输出频率相近时的低频运行控制策略。方案采用桥臂电流反馈控制,实现输入输出侧电流和内部环流的三重控制,并约束内部环流不影响输入输出侧;电压外环采用层次化电容电压控制策略,包括M3C总电容电压控制、输入输出侧相间平衡控制以及桥臂间平衡控制,其中桥臂间平衡控制通过叠加高频环流及零序电压实现,并引入PR控制器实现差频纹波的闭环抑制。该方案适用于输入输出侧频率相同的特例工况。通过OPAL-Rtlab半实物实验验证了该方案的可行性和有效性,以及优良的动静态特性。     

一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统

现有三极直流输电系统基于晶闸管换流器,存在一些与传统直流输电系统相似的固有缺陷。文中提出了一种改进系统:极3采用基于全桥子模块的模块化多电平换流器,极1和极2采用基于钳位双子模块的模块化多电平换流器。同时,提出了三极直流协调控制策略,并且为了抑制过渡阶段的暂态过电压,减小接地电流和功率波动,还提出了电压反向控制、电流维零控制和功率协调控制。采用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,结果表明利用所提控制策略,三极直流输电系统能够获得较好的响应特性,在维持电容电压平衡的同时,能够抑制交直流间功率扰动和接地极电流波动。     

Study of Low‐Voltage Ride‐Through Performance for Wind Power Generation with Doubly Fed Induction Generator

The introduction of wind power generation is increasing rapidly. The ratio of wind power generation to the total generation capacity is becoming higher and higher. When a phase‐to‐phase fault occurs in the power system, the frequency of the power system is lower due to disconnection of wind power generation with doubly fed induction generators (DFIG). Therefore, the power system might become unstable. This paper describes an LVRT (low‐voltage ride‐through) performance improvement scheme for wind power generation with DFIG. The wind power generator is disconnected from the grid in case of a power system fault. It is made to operate in isolation from the grid by controlling the inverters installed with the generators. After clearance of the power system fault, wind power generation is immediately reconnected to the grid. As a result, instability in the power system disappears. The performance of LVRT is confirmed by using the simulation software PSCAD/EMTDC. The simulation results show excellent results for the three‐phase short‐circuit fault with a voltage dip of 100%. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 185(1): 17–26, 2013; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.22423     

基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统

对一种新型的模块化多电平变流器(MMC)在轻型直流输电系统(VSC-HVDC)中的应用进行了研究.首先建立了MMC系统的数学模型,提出了适用于MMC系统的快速脉宽调制控制方法、模块电容电压平衡控制策略以及降低器件开关频率的方法.对于系统级控制,提出了基于MMC的VSC-HVDC输电系统非线性控制器,包括有功功率和无功功率解耦控制器,以及直流侧电压控制器.通过PSCAD/EMTDC仿真软件对所提出的模型和控制方法进行了验证,证实了其可行性和有效性.     

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(modularmultilevel converter 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(modularmultilevel converter,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。     

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。     

一种模块化多电平换流器分布式均压控制策略

应用于柔性高压直流输电领域的模块化多电平换流器,其桥臂级联功率模块数量通常多达数百个;而现有的阀控系统电容排序均压策略存在运算量大、硬件实现困难等问题。针对该问题,首先提出了一种分布式模块电压均衡控制策略;然后通过将桥臂中的功率模块分组,把桥臂电容电压平均值作为参考值。分组模块电压平均值作为反馈值,对各分组功率模块导通数动态调整,在保证电压均衡效果良好的前提下,有效降低控制系统处理器的运算量。该策略中所有功率模块均能实现故障冗余,而不会降低换流器整体冗余能力。最后在PSCAD/EMTDC中构建HVDC系统进行仿真验证,仿真结果证明了该策略的正确性和有效性。     

含模块化多电平变流器的分布式发电系统动态特性分析

根据模块化多电平变流器(modular multilevel conv-erters,MMC)的工作原理和拓扑结构特点以及逆变型分布式发电系统(distributed generation,DG)的运行特点,建立了由MMC构成的DG等值系统及其交流电流控制器数学模型。运用PSCAD分析了基于MMC的DG系统动态特性,发现当直流电压大幅波动时,DG交流电流和输出功率同样出现了大幅波动的情况。针对这一问题,提出了改进的交流电流控制器,并通过仿真证明了该控制器的有效性。     

模块化多电平换流器桥臂电流直接控制方案

通过分析模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构,提出一种MMC桥臂电流直接控制方案,该方案对MMC上/下桥臂电流实施独立控制.建立了MMC系统小信号传递函数模型,对桥臂电流反馈控制策略进行了分析与设计.以MMC并网逆变器为例,结合多层次电容电压平衡控制策略,得到了基于桥臂电流内环控制的MMC综合控制方案,以实现网侧电流控制及电容电压平衡控制.仿真结果表明,所提出的MMC桥臂电流直接控制方案具有优良的动静态特性,并能有效抑制三相内部环流,验证了该方案的可行性和有效性.     

基于模块化多电平换流器的光伏并网系统低电压穿越技术控制策略

随着光伏发电在电力系统中的渗透率日益加大,最新并网规则要求光伏并网逆变器具有一定的低电压穿越（low voltage ride through,LVRT）能力。针对基于模块化多电平变流器（modular multilevel converter,MMC）的光伏并网系统,首先,在静止坐标系下建立了系统的数学模型。为保证光伏电场可在电网故障时具备低电压穿越能力,采用一种实现电流正弦及有功恒定的电流控制策略,并提出无功功率参考值的计算方法及并网电流限幅策略。其次,利用准谐振（proportional resonant,PR）控制器,设计出控制环路,实现光伏并网系统的LVRT。最后,在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型,验证了控制策略的有效性和正确性。     

电网故障时模块化多电平换流器型高压直流输电系统的分析与控制

电网故障条件下模块化多电平换流器型高压直流输电系统的控制策略是目前亟需进行的一个研究课题。为此,基于Kirchhoff定律,给出了描述模块化多电平换流器(MMC)交流侧和直流侧动态特性的通用动态数学模型。该模型不仅适用于交流电网对称状态,而且适用于交流电网不对称故障状态,并考虑了换流变压器漏感的影响。根据对称分量法将换流器的通用动态数学模型分解为包含正序和负序分量的2个子系统,引入了换流器的正序和负序电流矢量解耦控制器以及外环功率控制器,可以实现在交流电网正常以及故障状态下对模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统的有效控制。设计了电网故障期间MMC输送功率的动态限幅控制,可以根据故障的种类和程度调节输送功率的限幅值,防止开关器件过载。指出了总直流电流在3个相单元之间的分配在交流系统对称状态下是基本均匀的,而在交流系统不对称故障状态下是不均匀的。仿真结果验证了所设计的电网故障时MMC-HVDC控制器的有效性和正确性。     

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的快速电压模型预测控制策略

针对传统模型预测控制策略用于模块化多电平换流器(MMC)时存在运算量庞大的问题,在分析MMC离散数学模型的基础上,通过优化控制目标实现方式、简化滚动优化过程,提出一种结合排序均压思想的快速电压模型预测控制策略。该控制策略针对三相MMC系统,基于电压矢量预测模型进行设计,可在保留传统模型预测控制算法优点的同时令运算量得到大幅度减小,使其应用不受MMC电平数量限制。通过在MATLAB/Simulink软件中搭建双端21电平的基于MMC的柔性高压直流输电(MMC-HVDC)系统模型进行了仿真验证,证明了所提控制策略的正确性和有效性。     

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。     

并联换流器高压直流输电系统控制策略

随着中国高压直流输电技术的发展,在直流工程分期建设和融冰方式运行方面,并联换流器结构受到越来越多的关注。文中详细分析了并联结构的四端直流输电系统特点,提出了整流站定直流电流控制、逆变站定直流电压控制且附加直流电流平衡控制功能的多端直流系统协调配合方式。该方式不仅最大程度地保持了双并联直流系统的相对独立性,简化了多端直流系统控制策略的设计,而且可以实现并联换流器间功率的灵活分配。由于换流器的并联和解并联是系统运行的关键技术,文中提出了详细的第二换流器解锁及第一换流器闭锁控制策略,并基于PSCAD/EMTDC搭建了四端并联直流系统的详细控制策略模型,验证了所提控制策略的有效性。     

扩展模块化多电平矩阵变换器低频运行范围的控制方法

模块化多电平矩阵变换器(M~3C)电容电压各频率纹波幅值与对应频率成反比。当M~3C低频率连续运行至输出/输入频率比接近1/3时,差频(输入频率与输出三倍频之差)电容电压波动幅值趋于无穷大,导致M~3C难以正常运行,也阻断了输出二倍频纹波电压的连续抑制。提出一种基于电容电压分层解耦控制和桥臂电流独立控制的M~3C控制方案,电压外环通过直接反馈控制输出相间的输出二倍频纹波电压(或瞬时功率),并闭环实现电流指令重构,消除了1/3频率比及其附近的不连续工作点,提高了M~3C低频率连续运行的频率范围。最后通过半实物实验验证了该方法的有效性。