基于模块化多电平换流器的直流输电系统网侧不平衡故障穿越研究

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)柔性直流输电系统在电网发生单相或两相故障时,会导致MMC桥臂上产生两倍频的正序、负序和零序环流,零序环流由于不能在三相桥臂之间相互抵消而进入高压直流侧,会影响其他换流站的运行。为此设计了二次零序环流控制器来对其进行抑制。并针对不平衡故障时,在相同传输功率下子模块电容电压波动幅值变大的问题,提出了通过对桥臂注入一定的负序二次环流,降低子模块电容电压波动的控制策略。在Matlab/Simulink中搭建了基于MMC-HVDC的仿真模型,仿真结果表明此算法能保证直流母线电压的稳定,并降低子模块电容电压的波动,提高了MMC换流器不平衡故障的穿越能力。     

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。     

电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略

交流电网不对称故障工况下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)存在相功率不均衡的问题,常规的基于直流环流注入的调控方法会引起桥臂电流不对称,导致各相电流应力不相等;而基于零序电压注入的方法可能导致系统过调制,危害系统安全稳定运行。针对传统相功率均衡控制策略的局限性,提出一种交流电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略。首先,分析基于零序电压和直流环流注入的MMC相间功率调控原理,指出不同方法单独进行相间功率均衡的局限性。其次,研究零序电压注入方法的过调制边界,引入相功率分配系数,给出不同故障下相功率系数优化方法,提出基于零序电压和直流环流注入协调的MMC自适应相功率均衡控制策略。最后,通过仿真验证了机理分析与所提控制策略的正确性和有效性。     

电网电压不对称时MMC-HVDC精确环流抑制控制

基于模块化多电平换流器(MMC)柔性直流输电被认为是最具竞争力的高压直流输电方式。基于PR控制器的MMC环流抑制策略已经得到广泛应用并能有效降低桥臂各环流分量,但在电网电压不对称时,桥臂环流中零序电流分量将进入直流侧引起直流电压/电流2倍频波动,现有控制策略不能很好地对其进行抑制。并且现有环流控制模型不能完全揭示MMC内部固有特性,这也阻碍了对MMC的进一步的理解和应用。针对以上两个问题,提出精确的环流控制模型,指出MMC内部环流电气量之间的相互关系。在此基础上,设计了新的环流抑制策略,在Matlab中搭建了±100 k V/300 MW MMC-HVDC仿真模型。仿真结果表明所提控制策略能同时降低桥臂环流和直流电压纹波,提高了MMC-HVDC故障穿越能力。     

基于桥臂电流控制的MMC改进电容电压均衡控制策略研究

子模块是模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)交直流之间能量交互的缓冲环节,在稳态、暂态下子模块电容电压保持均衡对于MMC不间断运行至关重要。首先,分析电网故障对无变压器MMC内部动态特性以及对交直流侧电压电流的影响。其次,为了提升MMC电容电压控制性能,提出一种基于桥臂电流控制的MMC改进的四层结构子模块电容电压均衡控制策略,包括子模块全局电容电压平均值控制、相间电容电压平衡控制、上下桥臂电容电压平衡控制和桥臂内子模块电容电压平衡控制,由此得到内环桥臂电流控制的电流指令值。最后,通过仿真研究和样机实验验证所提控制策略的可行性和有效性。结果表明：所提的控制策略在交流电网不对称故障和直流极对极短路故障下均能保持MMC子模块电容电压的均衡,并有效地消除交流侧谐波电流和桥臂内部的正序、负序及零序交流环流。     

模块化多电平换流器直流输电控制策略

模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统的控制策略及电流内环控制器对其故障时的运行特性有着重要影响。设计了电网电压不平衡下负序电流抑制策略和对应的限流环节。为解决正负双序同步旋转坐标下电流序分量分解和控制器较多问题,构建了基于比例积分和谐振控制的混合电流矢量控制。此外为降低桥臂环流对系统运行的影响,在分析桥臂电流构成成分的基础上,针对环流序分量2倍频特点设计了桥臂环流抑制器。仿真结果表明混合电流矢量控制能够实现直流和2倍频交流电流信号的统一控制,达到了负序电流和桥臂环流的抑制效果。     

不平衡电网下模块化多电平换流器的直流环流均衡策略

不平衡电网下模块化多电平换流器（MMC）存在三相直流环流不均衡问题,易导致相间电流应力和热应力差异,降低其在不平衡工况下安全运行能力。该文从桥臂功率角度分析不平衡电网下三相MMC直流环流不均衡现象和基于零序电压注入的直流环流均衡机理。提出一种零序电压注入的直流环流均衡方法,通过网侧电流与直流环流偏差量计算得到零序电压相位,经过比例谐振控制器生成零序电压注入量,进而实现直流环流的快速、有效均衡。在所提出的控制策略的基础上,研究该方法对MMC桥臂电流峰值、有效值及子模块电容电压纹波的影响规律。仿真与实验结果验证了该文理论分析与控制策略的有效性。     

电网电压不对称工况下模块化多电平变换器控制策略

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)各部分之间的功率关系,提出一种适用于电网电压不对称工况的MMC综合控制策略,包括直流母线电压控制、桥臂电容电压控制和交流侧电流控制。其中,桥臂电容电压采用层次化方法控制,在电网电压不对称时,通过调整直流母线功率在MMC三相桥臂间的分配,实现交流侧电流对称。内环采用桥臂电流直接反馈控制,可实现交流侧电流、直流母线电流和环流的三重控制,在电网电压不对称时无需交流侧三序电流控制器以及三序环流控制器。提出通过在桥臂电流参考值中添加零序电流抑制器,消除由桥臂不对称损耗引入直流母线的基频零序电流。搭建了10k VA三相MMC实验样机,实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

一种适用于模块化多电平换流器的新型环流控制器

模块化多电平换流器(MMC)桥臂环流中的谐波直接影响MMC的工作特性和损耗。文中推导了MMC交流侧电流、桥臂电流和环流之间的内在联系,指出MMC在交流电网对称和不对称情况下桥臂环流中都含有二倍频谐波。为了对MMC谐波环流进行有效抑制,提出了一种基于比例-积分-谐振(PIR)控制的MMC新型环流控制器,无需二倍频负序坐标变换和相间解耦。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了包含该PIR环流控制器的双站MMC仿真模型,并与旋转坐标系下的环流控制器在交流电网对称和不对称情况下进行了对比仿真分析,仿真结果验证了所提出的PIR环流控制器的有效性。     

电网电压不平衡时模块化多电平换流器直接功率补偿控制策略

为了进一步提升电网电压不平衡时模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)的电能传输质量,在αβ坐标系下提出一种无需交流电流正负序分离的MMC直接功率补偿策略,并对电网电压不平衡时MMC交流侧功率和瞬时功率进行了理论分析;针对MMC的零序环流将进入直流侧引起直流电压/电流2倍频波动的问题,基于比例谐振控制器设计了环流抑制控制器;最后在PSCAD中建立仿真模型验证所提出的控制策略和理论分析。仿真结果表明:在电网电压不平衡工况下,在消除负序电流和抑制有功功率波动2种控制目标下,MMC直流电压均可能出现2倍频波动,所设计的直接功率补偿控制系统可以分别有效地抑制网测负序电流或交流侧有功功率的2倍频波动,环流抑制控制器可以有效抑制直流侧2次波动。     

MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制

当模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统子模块发生故障时,上、下桥臂处于不对称运行状态,此时会导致上、下桥臂子模块输出电压之和不均衡,造成换流器内部环流不仅含有二倍频负序分量,还增加了基频分量,导致直流侧电流波动。基于MMC桥臂子模块不对称运行时平均开关函数,阐述了上下桥臂子模块数目不对称运行时子模块数量不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和,以及桥臂电流基频分量与桥臂正常运行子模块数量、环流直流分量和二倍频分量之间的关系。提出一种MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制策略,在实现交流电流跟踪、子模块电容电压均衡的同时,可以实现故障时对环流基频和二倍频成分的抑制,使正常运行子模块电压维持在给定值附近,维持直流侧电流稳定。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

不对称工况下MMC-HVDC的故障穿越控制策略

模块化多电平换流器的内部及直流侧均呈现非线性强耦合的动态特性,这使得交流电网不对称极易引起整个交直流系统的功率波动。该文提出故障穿越策略基于换流器平均值模型,通过将环流电流、直流电流、零序电流从交流电流控制中解耦出来,在换流器内部消纳不对称故障产生的不平衡功率,在抑制直流侧功率振荡的同时完成换流器内部分布式电容的能量管理,均衡各阀、各桥臂、各相单元、各换流器的电容电压,保证系统在复杂工况下持续稳定运行。在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真验证,结果表明采用提出的控制策略,故障端可以保持良好的运行性能,非故障端的换流器运行特性与潮流阶跃工况下的运行特性相同。     

模块化多电平换流器分极控制策略

现有模块化多电平换流器(MMC)主流控制为基于dq旋转坐标系的直接电流控制方式,该控制将MMC的上、下桥臂施行对称统一的控制,导致换流器直流侧必须严格对称运行,对此文中提出了MMC完整的换流站级分极控制策略,在保证联结变压器二次侧无直流偏置的前提下,有效地改善了MMC直流侧不对称运行时的运行特性。通过对MMC交流侧与直流侧间的功率传递关系的推导,设计了一种基于直接电流控制思路的MMC分极控制策略,该控制策略可以灵活、独立地控制上、下桥臂分别输出的有功功率和无功功率,兼具一定的环流抑制效果;提出电压偏置率定义,通过对控制指令的修正与配合,可以在一定换流器结构下实现联结变压器二次侧无直流偏置的前提下MMC-HVDC系统直流侧的不对称运行,且同时可以明显降低直流侧不对称故障时直流母线的过电压水平;最后基于PSCAD/EMTDC搭建了两端11电平MMC-HVDC系统模型,仿真结果验证了所设计分极控制策略的正确性,以及对于桥臂环流的抑制效果、对于直流侧不对称运行特性改善的有效性。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

交流系统不对称时模块化多电平换流器的控制

在交流系统不对称的情况下,三相模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)内部会出现零序性质的2次谐波环流,该零序分量将进入MMC直流侧,加剧直流电压、电流和功率的2倍频波动.为抑制直流侧功率的2倍频波动,以瞬时功率理论和比例谐振调节器为基础,设计了两相静止坐标系下MMC的控制策略.该控制策略由交流回路控制和直流回路控制2部分构成,前者实现MMC与交流系统之间的功率调节;后者实现MMC内特性的调节,主要抑制MMC环流中的2次谐波成分,使桥臂电流波形接近正弦.仿真系统采用不控整流站,逆变站采用MMC,结果表明:在交流系统不对称的情况下,该控制策略有效抑制了环流中的2次谐波成分以及MMC直流侧电压、电流和功率的2倍频波动.     

电网电压不平衡条件下模块化多电平换流器高压直流输电控制策略

在电网电压发生不平衡故障时,分析了模块化多电平换流器高压直流输电(MCHVDC)功率分量特性。为实现正负序电流统一控制,引入复合控制器(比例积分+准谐振控制器)作为电流内环控制,避免了同步旋转坐标系下电流序分量分解问题。研究了抑制负序电流、有功功率波动控制策略,并利用电压降落和不均衡度指标设计了对应的低压限流环节。为降低环流造成的额外损耗,在分析环流分量故障特性基础上,设计了桥臂环流抑制器。最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中,搭建了仿真模型,对负序电流、有功波动抑制和环流抑制策略的有效性进行了仿真说明。     

LCC-MMC混合直流输电系统整流侧故障穿越控制策略

整流侧采用电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC),逆变侧采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)构成的混合直流输电系统,结合了LCC、MMC的优点;同时,当MMC为半桥子模块和全桥子模块各占50%的混合型MMC时,系统具有较强的交直流故障穿越能力。针对整流侧交流系统严重故障下半桥子模块和全桥子模块电容电压不平衡的问题,提出一种改进的环流控制策略。改进的环流控制策略通过检测MMC的运行工况,调整环流控制器的参考值,从而使桥臂电流具有正负交替的特性。其次,提出基于虚拟电阻和电流指令限值的故障暂态电流抑制策略,能够抑制故障穿越期间交直流电流的振荡,确保系统安全稳定运行。基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建LCC-MMC混合直流输电系统,仿真验证了所提控制方法的有效性。     

网压不平衡下柔直换流端能量平衡研究

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的柔性直流输电系统近年来受到广泛的关注。针对电网电压不平衡下MMC运行情况进行研究,提出了一种能量均衡控制策略,以改善模块化多电平变换器在不平衡网压条件下的换流器内部能量平衡。该策略通过分析桥臂能量与各电气信号耦合关系,在0?β坐标系下建立桥臂能量数学模型,前馈补偿的加入提高了MMC在交流电网不对称故障和突发电压不平衡情况下的抗干扰能力。通过优化换流器内部电流分量进行桥臂能量平衡控制,实现网压不平衡下交流侧电流与换流器内部能量协同控制。最后,通过Matlab/Simulink平台搭建了双端MMC仿真模型。仿真结果验证了所提出控制策略的有效性。     

微电网孤岛工况下基于四桥臂变流器的不平衡负载分配策略

为实现负载功率的合理分配,微电网中的变流器并联运行时通常采用基于有功功率-频率、无功功率-电压的下垂控制策略。随着系统中不平衡负载的增加,传统的下垂控制策略已不能保证不平衡负载电流的准确分配。为解决上述问题,本文采用三相四桥臂作为微电网变流器拓扑,分析了负载电流不平衡分量的分配机理以及零序环流的产生原因,提出一种基于负序、零序虚拟阻抗的电流均分策略。该策略与正序功率下垂控制结合,通过设置各序的虚拟阻抗以减小线路阻抗对变流器负载电流分配的影响,实现对负序、零序电流的合理分配。最后,通过实验对所提出的并联控制策略进行验证。实验结果表明,在不平衡负载工况下,采用该控制策略的四桥臂变流器并联运行稳定,能够实现对负序、零序电流的准确均分,并有效抑制零序环流。     

基于桥臂能量预测的模块化多电平换流器子模块故障优化容错控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(MMC)常见的一种故障类型,将故障子模块旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为使MMC系统在子模块旁路后依然能维持稳定运行,提出一种基于桥臂能量预测的MMC子模块故障容错控制策略。首先对各时刻桥臂子模块储存的能量进行动态预测,进而求得各时刻子模块电容电压的预测值,在不用附加环流抑制控制器情况下,实现对环流中不对称基频和二倍频谐波分量的有效抑制。该策略简化了系统控制的复杂度,既适用于桥臂子模块数不对称的运行状态也适用于正常运行状态。厦门柔性直流示范工程的电磁暂态仿真结果验证了所提出的容错优化控制策略的正确性。