电网电压不平衡下基于模块化多电平的高压直流输电控制策略

研究了基于多电平变流器(MMC)的两端柔性高压直流(HVDC)输电系统。首先建立了MMC数学模型,分析了MMC内部环流产生的原因以及环流危害,接着研究了HVDC输电系统的工作原理和控制策略。系统的控制逻辑可分为3级,其中最低层控制策略为换流站内的阀级控制,包含MMC的调制方法和环流抑制策略。重点研究了换流站级的双环PI控制和阀级的环流抑制。通过搭建输电系统模型实现了正常工况下理论分析和软件仿真论证,同时设计了非正常工况下经过正负序分离后的双环PI控制方法,实现了电网电压不平衡时系统的稳定控制。     

电网不平衡下基于SOGI的MMC环流抑制策略

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的设计和分析通常是在电网平衡下进行,但在实际运行中交流电网是不平衡。电网不平衡将导致MMC桥臂环流的直流分量不再相等,含有2倍频的正序、负序和零序分量,使系统损耗增加,影响系统性能。首先,本文根据MMC的数学模型和相单元的瞬时功率分析环流的产生机理,得到电网不平衡时环流各分量的等效电路。然后,提出一种电网不平衡下基于二阶广义积分器（second order generalized integrator,SOGI）的环流抑制策略,该策略将三相环流中2次谐波分量与不相等的直流分量分离后单独抑制,采用比例积分（proportional integral,PI）控制经SOGI提取桥臂环流的正序、负序2倍频分量,采用准比例谐振（proportional resonant,PR）控制环流的零序2倍频分量。最后,在PSCAD/EMTDC平台中搭建217电平的MMC系统模型,将本文所提环流抑制策略与传统环流抑制策略、采用准比例谐振器控制环流抑制策略和采用比例积分谐振（proportional integral resonant,PIR）控制环流抑制策略进行仿真实验对比。实验结果表明：在单相非金属接地故障时,与其他3种环流抑制策略作对比,本文策略能将环流的2倍频分量抑制到0.000 6 kA,将谐波畸变率降低到0.03%,表明所提策略的优越性;同时在两相非金属接地故障时,本文策略能将环流的2倍频分量抑制到0.003 9 kA,谐波畸变率降低到0.22%。仿真实验结果验证了本文方法的有效性。     

基于电压电平的MMC模型预测控制

为了实现对模块化多电平变换器(MMC)的优化控制,该文设计一种基于电压电平的MMC模型预测控制策略。基于桥臂电压和与差的关系推导MMC系统的数学模型,由数学模型设计具有分层结构的模型预测控制器;控制器中的成本函数设计综合考虑交流电流控制、环流抑制控制和桥臂能量平衡控制;成本函数将选择出最优电压电平为脉宽调制器提供电压参考。此外,子模块电容电压平衡控制使用单独的控制回路实现。最后,搭建MMC的半实物仿真测试系统。稳态和动态测试结果验证了新型控制策略的效果。     

模块化多电平换流器常用调制策略的对比分析

模块化多电平换流器(MMC)常用调制方式包括载波移相调制(CPS-PWM)、载波层叠调制(CLS-PWM)以及最近电平逼近调制(NLM)。为提高MMC工作效率,方便针对不同应用条件选取合适的调制方式,本研究采用Matlab/Simulink虚拟仿真方法,对以上调制方式从开关频率、谐波分布、谐波畸变率等方面进行仿真,并对仿真结果进行比较,得到结论:CPSPWM方式在MMC电平增多后更便于滤波,但算法也更加复杂,较为适用于十几电平或者二十几电平场合;CLS-PWM中的三种方式在电平增高后,谐波仍较为分散,但在十电平以下时就能达到较低的谐波畸变率,适合应用于电平数不多的场合;NLM开关损耗小,调制简单,但波形质量在电平数少的时候相对较差,在高电平时较为适用。     

电网电压平衡下模块化多电平换流器的环流稳态分析

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)内部环流的存在增大了桥臂电流的有效值和峰值,增加了子模块电容电压的波动幅度,影响电力电子器件的安全运行,因此,有必要对MMC内部环流特性进行分析.通过子模块电容电压变化的研究,从时域的角度建立描述环流特征的二阶微分方程.在稳态情况下通过近似处理方法求得微分方程的特解并忽略微分方程的通解,该特解主要是由直流分量和二次分量构成,可以有效地描述电网电压平衡下的环流稳态特性,并在PSCAD中搭建了5电平的MMC模型,仿真结果验证了理论分析的有效性与正确性.     

考虑内部动态约束的MMC功率运行区间的确定及控制方法

为了正确评估模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的内部动态约束对运行区间的影响,提出一种通过求解MMC状态空间方程来获取MMC内部动态进而确定其功率运行区间的功率扫描方法。建立基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC)系统的稳态模型,通过求解状态方程得出各功率点对应的状态变量;提出一种系统非正弦周期电气量极值的计算方法求解各内部动态约束的幅值;通过逐点扫描得到满足MMC内部动态约束和常规约束时的功率运行区间。针对功率设置可能越限的情况,设计保证系统满足内部动态约束的边界控制策略。在PSCAD/EMTDC中进行仿真,仿真结果验证了MMC功率运行区间确定方法的正确性及边界控制策略的有效性。     

基于虚拟谐波阻抗的孤岛微电网谐波功率均分控制策略

微电网孤岛运行存在各个发电单元均分负载(包括非线性负载)的问题。为此,提出一种孤岛微电网谐波功率均分控制策略,该新型控制策略采用负虚拟谐波阻抗来补偿馈线阻抗对谐波功率均分的影响,即改变在谐波频率处的等效馈线阻抗,使得不同发电单元至负载的不同馈线阻抗对非线性负载分配的影响最小化;在此基础上,提出一种新的Zh-H下垂控制方式,可以自适应地调整虚拟谐波阻抗值。新型控制方案的优势在于可以实现非线性负载均分的同时,不影响线性负载均分,对负载侧电压质量也没有不利影响。最后,利用小功率微网试验平台验证了该方案的有效性。     

基于CPS-SVPWM调制的MMC-STATCOM简化算法研究

针对模块化多电平换流器(MMC)难以实现多电平SVPWM技术,提出了基于CPS-SVPWM调制的MMC控制算法。该算法是将MMC等效看作上、下2N个三相半桥的串联,合理布置两电平SVPWM生成模块的位置后,结合载波移相技术,实现多电平输出。最后,在电力系统仿真分析软件PSCAD/EMDTC中搭建了基于模块化多电平换流器的五电平STATCOM仿真模型,结果表明基于CPS-SVPWM调制的MMC简化算法简单,控制效果好,电压利用率高,可以很好地应用到多电平MMC的控制领域,从而也验证了文中所提出的控制方法的有效性和可行性。     

局部阴影条件下基于MMC换流器的光伏并网

提出了局部阴影条件下基于模块化多电平(MMC)的光伏并网系统,并设计了该系统的控制策略。光伏阵列经DC-DC变换电路调节后并入电压源型换流器,构成子模块PSM,子模块PSM和电抗器串联组成MMC。控制系统包括启停控制、最大功率点控制以及并网控制。启停控制,在能量反馈阶段采用直流电压控制策略,在电容放电阶段采用三相同时放电策略;最大功率点跟踪控制采用扰动观测法。利用Matlab/Simulink对光伏并网系统进行仿真,仿真结果表明:该系统能提高太阳能利用率,降低并网输出波形的谐波含量,实现功率独立控制。     

级联H桥D-STATCOM双机并联系统PR重复控制策略研究

针对级联H桥型配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)并联系统,文中分析双机载波相位差所导致的机间谐波环流问题,并根据单极倍频调制原理解释了载波移相产生谐波环流继而发生直流电压振荡的原因.为明确直流电压振荡对D-STATCOM所带来的负面影响,从双D-STATCOM的输出阻抗模型和直流侧电压的传递函数所反映的D-STATCOM机间的交互耦合特性入手,文中提出一种采用比例谐振(PR)重复控制抑制直流电压振荡的D-STATCOM电流内环控制策略,理论分析和系统仿真证明,该控制策略可使系统谐波含量减少,避免了谐波环流时D-STATCOM系统直流电压振荡导致直流电压失稳的情况.最后通过RT-LAB实时仿真平台验证了上述理论分析的正确性和控制策略的有效性.     

并网逆变器功率和合成谐波阻抗联合控制策略

为了抑制电网中因非线性负载和电力电子器件的大量使用而产生的谐波,给出了并网逆变器的给定功率和合成谐波阻抗联合控制策略.该策略能够根据给定的有功功率和无功功率控制系统,并且在电流环电压环上加入了谐波阻抗环.Matlab/Simulink结果显示,该控制策略能够在实现并网逆变器并网的同时起到有效抑制电网谐波的作用.仿真结果表明,此方法能够抑制电流谐波,也使得电网电压谐波得到有效抑制,并避免了电网线路上的谐振.     

基于一致渐近稳定观测器的模块化多电平变流器控制系统设计

为了实现模块化多电平变流器(MMC)各模块之间电容电压均衡,减少电压传感器数量,设计非线性的降维状态观测器,并提出基于该观测器的系统控制方法.依据三相MMC拓扑结构,以三相环流、交流输出电流和所有模块电容电压为状态变量,建立状态空间模型. 结合模型,提出观测器的设计方法,该观测器通过测量MMC电路中6个桥臂电流和6个桥臂投入模块总电压,结合开关信号观测得到各模块电容电压. 利用无源理论和持续充分激励条件,证明在载波移相调制策略和最近电平调制策略下,观测器误差模型是一致渐近稳定的. 以该观测器为基础,设计MMC功率电流双闭环控制器. 通过搭建的仿真模型验证所设计观测器的观测值能够准确跟踪实际值,系统鲁棒性和动态性能较好.     

三电平双模块并联协同特定谐波消除脉宽调制

针对中压大功率并网变流器开关频率低、并网电流谐波大等问题,提出适于中性点钳位型（NPC）三电平双模块并联网侧变流器特定谐波消除脉宽调制（SHEPWM）分频段协同控制策略. 通过在低频段控制双模块各自输出谐波为零,在高频段控制并网双模块输出总的谐波为零,有效地提高双模块并联系统电流谐波性能. 为了抑制器件死区引起的并网电流中5次、7次谐波,引入频率自适应广义积分控制器. 该控制器在离散域直接设计参数,避免数字化过程导致控制器性能偏差. 仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性、优越性.     

基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制策略

在低压逆变器并联系统中,各逆变器之间存在线路阻抗不匹配的情况,针对传统下垂控制策略无法实现无功功率的精确均分,且会产生较大环流的问题,提出一种基于虚拟阻抗技术的改进下垂控制策略.该控制策略中,首先采用虚拟阻抗技术使等效线路呈感性,以实现功率完全解耦;其次在无功-电压下垂控制的基础上,采用电压补偿的方法解决无功功率无法均...     

混合直流输电直流侧谐波分析及滤波器设计

为评估混合直流输电直流侧电压质量,解析其谐波成分和幅值计算等效电路,该文采用平均开关状态法分析MMC,调制理论分析LCC产生的谐波,推导各次谐波的幅值计算表达式,简化等效电路。在此基础上,分析了LC滤波后的波形和谐波成分,在交流侧三相不平衡度较大时,LC滤波器平抑低频谐波效果差;为抑制因三相不平衡引起的直流侧低频脉动,设计了两种3阶低通滤波器,并对比了它们与LC滤波器在滤波效果和动态响应时间上的差别,结果表明巴特沃斯滤波器的指标最佳。利用MATLAB/Simulink软件建立了混合直流输电模型,仿真结果显示所推导的谐波幅值计算表达式和等效电路能正确反映直流侧的谐波特征,所设计的滤波器能更好地消除低频谐波。     

基于自适应虚拟阻抗的微电网分布式电源控制

针对直流微电网中线路阻抗不匹配时,传统下垂控制不能有效实现不同分布式电源之间电流的合理分配的问题,提出了一种基于自适应虚拟阻抗的分布式控制策略。各分布式电源基于一致性算法,利用本地和相邻电源的虚拟阻抗值和电流信息自动调节等效输出虚拟阻抗值,实现了负荷电流的合理分配。同时,在所提控制策略的电压环节增加了电压补偿控制器,通过动态调节下垂控制器的电压参考值,补偿不匹配的馈线阻抗引起的电压偏差。最后,利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

基于比例谐振和谐波补偿控制技术的单相逆变并网研究

电网电压背景谐波的干扰在并网系统中是不可避免的,这会给并网电流带来大量的低阶谐波.提高开关频率能够抑制低阶谐波,却带来大量的高阶谐波.针对基于比例谐振控制(PR)和谐波补偿(HC)控制器的LCL型单相并网逆变器,详细分析了电流控制器参数对系统性能的影响,通过对并网电流的稳态误差、相位裕度和幅值裕度的分析得出满足要求的控制器各参数选择范围,结合系统的稳定性分析来选择控制器参数.仿真结果证明所给出的控制策略和参数设计方法是可行的.     

一种双三相永磁同步电机无速度传感器控制的 实现方法研究

在考虑α-β子空间的基波分量和x-y子空间的谐波分量的情况下,提出一种基于自适应滑模观测器（SMO）和多重比例谐振（PR）控制器的双三相永磁同步电机（DTP-PMSM）无速度传感器控制方法.基于DTP-PMSM的矢量空间解耦模型,首先在其α-β子空间设计了电流滑模观测器,并用双曲正切函数代替符号函数作为切换函数,削弱了滑模抖动并获得了更光滑的反电动势信号.然后设计了反电动势自适应观测器,提高了电机转速和转子位置的估计精度,并免除了常规滑模观测器中采用的低通滤波器和相位补偿单元.随后在α-β子空间利用PR控制器对参考电流实现了无静差跟踪控制;在x-y子空间引入PR控制器对电机相电流中的6k ±1（k=1,3,5,…）次谐波进行抑制,减少了电机损耗和逆变器容量,提高了电机运行性能.仿真实验结果表明了所提控制方案的可行性和有效性.