基于谐波状态空间理论的12脉动换流站阻抗建模

为分析谐波对电网换相型换流器高压直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)稳定性的影响,亟需建立一个考虑谐波耦合效应的LCC-HVDC精确模型。基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)理论,考虑频率耦合效应和控制系统建立了12脉动LCC的阻抗模型,所建交直流谐波阻抗模型能在更宽的频带与扫频结果吻合。最后通过PSCAD电磁暂态仿真结果与HSS阻抗模型计算结果对比,验证了所提出的LCC-HSS阻抗模型的正确性。LCC-HSS阻抗建模方法提高了对LCC换流站进行数学建模的精确性,且可以适应多种模式下LCC换流站阻抗建模,为LCC系统稳定性分析及参数优化提供了较为精确的模型。

基于修正J-A模型和改进遗传算法的变压器建模方法

变压器直流偏磁会导致铁心半周饱和,可能导致高压直流输电系统中谐波不稳定现象发生。为实现对直流偏磁条件下变压器运行工况的精确模拟,基于能量守恒式及Langevin方程对原Jiles-Atherton(J-A)模型进行修正;进一步提出了适用于修正J-A模型参数辨识的改进遗传算法,提高了传统遗传算法的全局搜索精度和收敛速度。在PSCAD/EMTDC中基于修正J-A模型搭建了非线性磁滞电感,在此基础上建立变压器仿真模型;基于等比缩小的变压器实物进行直流偏磁实验,将励磁电流仿真波形与实验波形进行对比。结果表明:修正的J-A模型物理意义更加明确,改进遗传算法具有更高的精度和更快的收敛速度,所建变压器模型与实验结果吻合度很高,验证了所提建模方法的准确性。

基于模块化思想的LCC-HVDC改进小信号建模及交互稳定性分析

随着电网换相型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current, LCC-HVDC)技术的广泛应用,交直流混联电力系统的交互稳定性问题日益突出。首先基于状态空间平均法建立了考虑非线性换相重叠动态过程的LCC换流器传递函数模型。为适应愈加复杂的直流输电系统建模,提出利用模块化思想分别建立LCC-HVDC各子系统小信号模型,并推导了能反映交直流系统和换流器之间电气耦合特性的接口矩阵实现子系统连接,从而模块化建立精确且易于扩展的计及控制链路延时和锁相环输出相位波动的双端LCC-HVDC系统改进小信号模型。最后分析了控制系统参数和控制链路延时对系统小干扰稳定性的影响以及失稳模态的主导因素,揭示了双端LCC-HVDC系统交直流混合谐振机理及送受端交互影响具体过程。研究结果可以为系统参数设计、谐振抑制措施提供理论基础。

抑制新能源并网系统谐振的逆变器阻抗适配支路参数设计方法

随着高比例新能源并网成为发展趋势,新能源并网系统谐振成为影响新型电力系统安全稳定的潜在因素。由于风光资源在时间尺度上存在互补特性,可以通过调整逆变器并网特性实现系统阻尼的分时互济。针对逆变器阻抗适配支路的参数设计问题,提出阻尼系数的优化设计方法。首先,推导了阻尼互济控制逆变器的输出阻抗表达式,结合阻抗的幅值和相位分析阻尼系数对输出阻抗的影响,提出阻尼系数的初选设计方法。随后,从系统稳定性角度分析电网阻抗与阻尼系数之间的关系,为阻尼系数的优化提供了依据。为解决固定阻尼给控制带来的限制问题,提出了一种阻尼系数自适应的阻尼互济控制,使得控制更加灵活有效。最后,通过仿真和实验验证了阻抗适配支路参数设计方法的准确性以及阻尼系数自适应算法的有效性。

基于复矢量及HSS的MMC交直流侧阻抗建模

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有运行稳定、控制多样化等优点,对其精确建模成为当前研究热点。提出了一种基于复矢量的MMC交直流侧阻抗建模方法。该方法根据复矢量建模的基本原理分析了换流器的正负序转换关系,并在考虑三相耦合的前提下,从差共模角度简述了三相MMC的建模要点,建立了三相系统的完整时域模型。引入谐波状态空间理论(harmonic state space,HSS)对所建模型进行处理来提高建模精度,并利用接口矩阵及阻抗求解的基本原理建立了MMC的交直流侧阻抗模型。最后在仿真平台进行了对比实验,证实了建模方法的可行性。

基于电压补偿分量注入的单相级联H桥整流器载波调制与电容电压平衡方法

无工频牵引变压器技术是实现高速列车轻量化的手段之一。该文首先分析了无工频变压器电力牵引传动系统前端级联H桥整流器的工作原理,以及开关状态和网侧电流对直流侧电容充放电的影响。针对级联H桥整流器电容电压平衡问题,为了实现负载严重不对称情况下直流侧电容电压快速平衡的控制目标,以传统的载波移相脉宽调制方法为基础,提出了一种基于电压补偿分量注入的载波移相脉宽调制算法。考虑负载不平衡度很大的恶劣情况,对该算法的电压补偿分量进行设计与定量计算,并针对该算法多个H桥级联拓扑的应用进行了理论扩展。计算机仿真和半实物实验都验证了该算法的有效性和正确性。

一种单相级联H桥整流器电压快速平衡方法

无工频变压器牵引传动系统是实现高速动车组轻量化的有效方式与发展趋势,以解决其前端单相级联H桥整流器(CHBR)直流侧电容电压不平衡问题为研究目标,开展以实现负载严重不对称情况下直流侧电压快速平衡的控制方法研究。分析了已有典型直流侧电压平衡控制方法的缺点,提出了一种基于电压补偿分量注入的单极性载波移相脉宽调制(CPSPWM-VOI)算法,该算法易于扩展到多个H桥级联的情况。与已有典型直流侧电压平衡控制方法对比,该方法具有更快的直流侧电压平衡速度和更强的直流侧电压平衡能力。计算机仿真和半实物实验都验证了该算法的有效性及理论分析的正确性。

一种单相级联H桥整流器SVPWM及其电容电压平衡控制方法

为了满足高速列车轻量化、高速化的发展需求,以多电平变流器为核心的电力电子变压器取代笨重的工频牵引变压器成为当前电力牵引传动系统领域的研究热点。本文以电力电子变压器的牵引传动系统前端级联H桥整流器(CHBR)为研究对象,提出了一种适用于单相任意单元数级联H桥变流器的通用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法。并给出了各个基本矢量作用时间的计算方法,通过优化矢量作用顺序,使得该调制算法引起的网侧电流畸变较小,各功率器件开关切换次数一致,并且该调制算法本身不会引起直流侧电容电压不平衡。针对其他原因引起的电容电压不平衡问题,提出了一种基于叠加补偿分量调节冗余基本矢量作用时间的SVPWM方法,使得该调制方法具有电容电压平衡能力。计算机仿真和半实物实验都验证了该算法的可行性及直流侧电容电压平衡控制的有效性。

考虑换相过程的电网换相换流器小信号阻抗建模

建立准确的数学模型对于判断电力系统稳定性具有重要意义,其中阻抗模型凭借简单有效的优势成为判断系统稳定性的常用工具。为完成考虑换相过程的电网换相换流器阻抗建模,在dq坐标系下采用了基于平均化的小信号建模方法。首先,将换相重叠过程中各物理量的非线性变化过程利用小信号法线性化,建立了物理量之间的传递函数;然后,加入了交流电源侧的交流网络简化模型,同时考虑了定电压控制方式和锁相环的建模,得到电网换相换流器直流侧和交流侧的等效阻抗模型;最后,通过对比PSCAD/EMTDC仿真结果和模型计算结果,证明了阻抗模型的准确性。

一种负载不平衡情况下单相三电平脉冲整流器中点电位控制方法

首先分析了负载不平衡情况下单相电压型三电平脉冲整流器的工作原理,引出该电路直流侧中点电位偏移的特点。为了实现在负载不平衡的恶劣情况下直流侧中点电位平衡的控制目标,以传统的单相三电平单极性载波脉宽调制(CBPWM)方法为基础,提出了一种在负载不平衡情况下,基于电压补偿分量注入的载波脉宽调制(CBPWM-VOI)算法。理论分析表明:电压补偿分量的取值与负载有着密切关系,在一定的负载不平衡度范围内,该调制算法可以有效地控制直流侧中性点电位无偏移。计算机仿真和小功率样机实验都验证了该算法的有效性及理论计算的正确性。

一种适用于水电外送的混合直流输电系统交流故障穿越策略

结合传统直流输电技术(LCC-HVDC)和柔性直流输电技术(MMC-HVDC)特点的混合直流输电系统交流故障会引起直流传输功率不匹配,对系统安全稳定运行产生严重影响.因此有针对性的设计送受端交流不对称故障穿越策略具有重要意义。在分析了混合直流输电系统整流侧和逆变侧故障特性的基础上,提出了基于触发角修正的附加直流电压控制策略实现整流侧交流故障穿越,给出了改进定电流控制策略平衡输送有功功率,实现逆变侧交流故障穿越,并通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的有效性。

基于三次谐波注入的桥臂交替换流器子模块电容优化方法

桥臂交替换流器(AAC)具有子模块数目少和电容小等优点,在交直流系统功率互联和柔性直流输电中具备广阔应用前景。针对AAC存在的固定调制度运行缺陷和工程应用子模块电容经济性问题,提出了一种基于三次谐波注入的AAC子模块电容优化方法和闭环控制策略。文中首先介绍了AAC的拓扑结构和运行原理,根据换流器能量平衡方程给出注入三次谐波后AAC的宽调制度运行条件,并设计了AAC的闭环控制策略;然后,基于子模块电压波动数学模型,建立了AAC的能量波动方程,能够精确生成不同调制度和功率因数角下的能量波动模型,定量分析了注入三次谐波后能够降低的能量波动峰值和子模块电容优化率,所提出的子模块电容优化方法和闭环控制策略在实现AAC宽调制度稳定运行的同时,注入的三次谐波不改变AAC能量平衡条件,最高能够降低AAC子模块电容大小为传统控制方式下的12.1%;最后,在电磁暂态仿真软件和StarSim半实物平台中搭建模型,验证了所提分析方法和控制策略的有效性。

低容值级联对称半桥型静止同步补偿器

级联H桥型的静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)具有模块化程度高、可靠性高、输出谐波特性好等优点,受限于直流电容电压波动要求,子模块需要采用大容值电容,阻碍了变流器的高功率密度化。为降低STATCOM的成本及体积,该文提出一种低容值的级联对称半桥型STATCOM,可较大程度减小子模块电容值及开关数量。通过分析低电容值条件下直流侧电容电压波动规律,揭示了直流侧电容值、电容电压波动大小与输出无功电流的关系,提出直流侧电容选取方法。为最大化利用直流电压,研究直流侧电压参考取值原则,实现对电压波动的峰、谷值控制,提出直流总电压控制及子模块电容电压均衡控制策略。分析了容性与感性无功模式下STATCOM的运行范围,揭示运行范围与电容电压波动上限的关系。最后,通过仿真与实验验证了电容值降低方法与控制策略的正确性及有效性。

含柔性直流电网的交直流混联系统潮流优化控制

含柔性直流电网的交直流混联系统中换流站功率参考值和下垂系数分别决定了换流站功率分配以及直流电压与直流功率间的斜率控制关系,进而决定了整个交直流混联系统的潮流分布,因此功率参考值和下垂系数的选取至关重要。为此,提出一种含柔性直流电网的交直流混联系统潮流优化控制策略,对功率参考值和下垂系数进行优化,以实现系统网络损耗和直流电压偏差率综合最小的目标。首先,针对含柔性直流电网的交直流混联系统建立了换流站模型、交流系统模型和直流电网模型,并建立了直流电网在主从运行方式或下垂运行方式下的控制方程统一表达式。然后,基于含柔性直流电网的交直流混联系统最优潮流,在线自适应修正换流站功率参考值和下垂系数。最后,对不同运行方式下含五端柔性直流电网的修正IEEE 39和IEEE 118节点交直流混联系统进行计算分析,其结果验证了所述方法的有效性。

一种三电平中性点钳位逆变器中点电位控制算法

针对电力牵引三电平中性点钳位(NPC)逆变器系统,首先分析了因调制算法引起的中点电位振荡现象。然后分别比较两种传统空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法对中点电位振荡及负载电流总谐波畸变率(THD)的影响;在此基础上,以中点电位平衡控制和最小负载电流THD含量为目的,提出了一种基于中点电位环宽控制的SVPWM算法。最后,通过MALTAB/Simulink软件仿真和dSPACE半实物平台实验研究,对3种调制算法下中点电位及负载电流THD值进行对比分析。计算机仿真与半实物实验结果表明,中点电位环宽控制方法不但能平衡直流侧中点电位,而且能有效地减小负载电流THD含量。

基于FPGA的三电平空间矢量脉宽调制算法半实物实验方案

以三电平二极管中性点钳位牵引逆变器电机系统为研究对象,首先对各扇区的几何对称性与矢量作用时间之间的密切关系进行了详细分析。在此基础上,探讨了一种简化三电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法。然后,给出了该算法基于现场可编程门阵列(FPGA)的详细设计方案,并通过简化乘法器、高效率除法器等关键性设计,避免数字处理器进行大量三角函数运算,减少硬件资源占用,同时兼具FPGA速度快、可移植性好、模块复用率高等特点。最后,通过基于FPGA与dSPACE的半实物实验平台的实验研究,验证了该简化三电平SVPWM算法的正确性及其基于FPGA设计方案的可行性。

一种动车组网侧变流器的动态性能优化控制算法

以我国CRH系列动车组网侧变流器为研究对象,以提高其控制系统动态响应性能为目的,首先分析了网侧变流器工作原理和数学模型;然后对其瞬态直接电流控制和DQ电流解耦控制两种常用算法进行了对比分析,尤其是两者在负载突变情况下的动态响应性能;在此基础上,结合两者优点,给出了一种兼备两种控制算法优点的混合型优化控制算法。最后,分别对三种控制算法进行了计算机仿真和半实物实验测试,仿真和实验结果表明,与瞬态直接电流控制和DQ电流解耦控制相比,混合优化控制算法具有最佳的直流侧电压动态调节能力。

单相三电平脉冲整流器无差拍预测直接功率控制

以我国CRH2(China railways highspeed 2)型高速动车组的单相三电平脉冲整流器为研究对象,以提高其动态响应速度及控制精度为目的,该文首先建立单相三电平脉冲整流器数学模型,分析传统基于比例积分(proportional-integral,PI)控制器的定频直接功率控制(direct power control,DPC)的工作原理,在此基础上,提出一种基于自回归算法的单相无差拍功率预测DPC算法。与传统PI定频DPC算法相比,该DPC算法无需网压相位检测装置,如锁相环(phase locked loop,PLL),降低了硬件设计及软件编程的复杂度;而且由于采用自回归算法,实现了有功和无功功率的无差拍预测,提高了整流器负载动态变化时的响应速度。然后,结合内嵌中点电位平衡功能的单相三电平空间矢量调制算法(space vector pulse width modulation,SVPWM),构建了完整的单相三电平脉冲整流器DPC与SVPWM控制系统。最后,对该功率预测DPC和传统PI定频DPC算法分别进行了计算机仿真和半实物实验对比研究。仿真与实验对比分析结果证明了该无差拍功率预测DPC算法的正确性和有效性。

多桥换流器高压直流输电送端谐波不稳定分析与抑制

针对多桥换流器高压直流输电系统送端换流站不同工况直流偏磁下谐波不稳定问题,基于单桥6脉波换流器的开关函数和调制理论,考虑换流变压器的叠加特性,得到不同工况下多桥换流器数学模型。在此数学模型基础上,分析了谐波在交直流侧的相互调制,推导出了不同工况下多桥换流器的谐波放大倍数及谐波不稳定的定量判据,并且综合分析影响判据的多种因素,提出了通过合理设计交直流系统阻抗以及合理安排系统的运行工况从而提高系统谐波稳定性的有效措施。最后,在PSCAD中构建了多桥换流器高压直流输电系统电磁暂态仿真模型进行验证,仿真结果验证了所述措施的正确性与有效性。

基于混合式直流断路器的柔性直流电网快速重合闸策略

基于混合式直流断路器(hybrid direct current circuit breaker,HDCCB)保护的柔性直流电网在故障清除之后,需要对故障线路进行快速重合闸操作。在直流系统被孤立的换流站重合闸于故障清除状态的故障恢复期间,会有较大的功率波动导致重合闸过程中功率恢复缓慢,不能满足直流电网快速重合闸的要求。该文首先基于HDCCB的拓扑结构提出重合闸操作时间最短的快速重合闸操作流程。然后基于直流电网的控制系统,从直流电网的故障开断过程出发,揭示了在直流电网重合闸过程中功率波动的原因,并且提出了优化之后的快速重合闸策略,以实现直流系统重合闸于故障清除状态时功率的快速恢复。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建5端柔直系统进行仿真,结果表明所提出的快速重合闸策略能够有效地抑制孤立换流站在重合闸于故障清除状态时故障恢复过程中的功率波动,缩短重合闸恢复时间50%以上,提高直流系统的输电可靠性。