基于直流电压动态修正的柔性多状态开关自适应下垂控制

为了满足配电网的多种互联需求,柔性多状态开关(flexible multi-state switch,FMSS)已衍生出多种互联应用的技术形态,多端FMSS与双端FMSS相比更具经济性和可靠性,已成为研究热点。传统下垂控制通过改变直流侧电压实现不平衡功率的消纳,但直流侧电压的偏离会影响系统安全可靠运行。针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多端FMSS系统,提出了一种改进型下垂控制策略,根据换流器消纳的有功功率实时动态改变直流电压的参考值和下垂增益,实现了直流电压的无偏差运行,既能避免换流站过载,又能解决不平衡功率消纳引起的电压偏离问题,提高了系统的稳定性。另外,由于MMC自身结构特性和PI参数整定困难,将传统的电流内环改为模型预测控制,并采用典型的二阶Runge-Kutta法对状态方程进行离散化,提高了控制精度。最后基于MATLAB/Simulink仿真软件搭建了四端FMSS系统模型,验证了所提控制策略的可行性与有效性。

考虑SOC的混合储能功率分配与自适应虚拟惯性控制

电力电子化的直流配电网存在低惯性问题,不利于系统稳定运行。混合储能设备可向电网提供虚拟惯性,但不同类型的储能之间存在功率协调问题,并且储能的荷电状态(state of charge, SOC)对虚拟惯性的调节也有约束作用。针对上述问题,提出了一种自适应时间常数的分频控制策略,时间常数根据混合储能系统(hybridenergy storage system, HESS)的SOC而动态调整以改变功率分配。首先,通过分析储能SOC与虚拟惯性的关系,并考虑储能充放电极限问题,研究兼顾SOC、电压变化率以及电压幅值的自适应虚拟惯性控制策略,提高系统惯性。然后,建立控制系统的小信号模型,分析虚拟惯性系数对系统的影响。最后,基于Matlab/Simulink搭建直流配电网仿真模型,验证了所提控制策略能合理分配HESS功率,提高超级电容器利用率,改善直流电压与功率稳定性。

基于MMC的分布式储能系统及其快速SOC均衡控制策略

提高基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的分布式储能系统(distributed energy storage systems,DESS)的能量利用率,解决储能子模块(energy sub-module,ESM)荷电状态(state of charge,SOC)均衡问题至关重要。针对现有的SOC均衡控制策略的不足,提出内外分层的快速SOC均衡控制策略。外层针对桥臂间或相间的SOC差异,通过改进MMC模型预测控制(model predictive predictive control,MPC),配合自适应均衡系数,快速调整功率差额。内层引入自适应虚拟电阻法,根据ESM的SOC情况确定主导ESM,自适应调节各单元的虚拟电阻,产生相应的电压梯度,结合MMC排序算法使ESM按照各自SOC进行功率分配,从而实现ESM的SOC快速均衡,提高DESS能量利用率。通过在Matlab/Simulink构建仿真模型,证明了所提控制策略的有效性和可行性。

子模块混合型MMC直流输电系统的优化设计及其直流故障穿越策略

短路故障是影响柔性直流输电系统安全运行的主要问题之一,针对直流侧双极短路故障,首先研究基于串联双电容子模块(SDSM)与半桥子模块(HBSM)的混合型模块化多电平换流器(MMC)结构,该结构与传统的半桥-全桥子模块混合MMC相比具有较低的成本和损耗,分析直流侧短路暂态运行下SDSM和HBSM的配置比例设计要求;其次考虑到SDSM无自主负电平输出能力,提出基于电流相位的故障穿越策略,采用分层控制的思想,构建相电流状态矩阵并结合其相位差,保障换流站在故障期间能降压运行,维持系统稳定工作;最后在Matlab/Simulink中仿真验证上述分析以及所提故障穿越策略的可行性。

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modularmultilevelDC/DCconverter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。

基于Y-MMC的柔性低频输电控制策略

采用传统矢量控制的Y型模块化多电平换流器(Y-MMC),存在控制结构复杂、参数整定困难等缺点。针对上述问题,采用模型预测控制方法对Y-MMC进行控制器设计,提出一种适用于柔性低频输电的分层协调控制策略。建立各桥臂开关状态组合下的预测模型,实现内环电流控制和电容电压均衡控制。采用分层优化思想建立直流电容电压跟踪、交流电流跟踪和开关频率优化的逐级评估系统。结合稳态逆模型和比例积分控制实现了功率换流站的功率控制和电压频率换流站的低频电压控制。通过MATLAB/Simulink对双端低频输电系统进行仿真,结果验证了所提控制方案在多种工况下的正确性和有效性。相较于传统的矢量控制,该策略简化了控制器设计,加快了响应速度。

基于改进粒子群优化权函数的直流微电网H_(∞)控制策略

直流微电网中常常含有恒功率负载(constant power loads,CPLs),其负阻抗特性会降低系统的稳定性,造成直流母线电压波动甚至崩溃。因此,首先建立了直流微电网的小信号模型,使用根轨迹法分析了恒功率负载对系统稳定性的影响;其次提出一种基于混合灵敏度优化的电压控制策略,提升了直流微电网系统的稳定性,并采用改进粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法对权函数进行了优化,进一步提升了鲁棒控制器的性能;最后采用Matlab/Simulink仿真算例进行验证,仿真结果表明提出的鲁棒控制器减小了母线电压的波动,有效提升了直流微电网系统的稳定性。

超导磁储能装置提高柔性直流配电系统稳定性的研究

柔性直流配电系统中定功率控制的换流器具有恒功率负载特性,会降低系统阻尼,对系统的稳定性产生不利影响。针对该问题,在直流配电系统中加入超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)装置来提高系统的稳定性。推导了柔性直流配电系统的反馈控制模型,采用频域分析法研究了换流器恒功率负载特性对系统稳定性的影响,并结合数学模型和频域分析,指出SMES装置能够为电网提供正阻尼,增大了系统开环传递函数在剪切频率处的相位裕度,从而改善了系统稳定性。为防止超导磁体两端电压过高,SMES装置与直流配电网连接的DC/DC换流器需具备一定的电压调节性能,因此研究了采用模块化多电平DC/DC换流器DC-MMC(modular multilevel DC/DC converter)的SMES装置,通过调节子模块个数灵活设置换流器电压变比,在实现换流器能量双向流动的同时控制超导磁体两端电压,以保护储能装置。最后通过时域仿真波形验证了采用DC-MMC的SMES装置在提高柔性直流配电系统稳定性方面的可行性和有效性。

基于递进式培养的电气节能虚仿平台开发

以抽油机的电气节能改造、注水泵的变频调速、海上钻井平台电力系统的无功补偿为主体,结合现场实际工况,设计开发了典型石油钻采设备电气节能技术虚拟仿真平台。实验过程施行“知识—能力—素质”的递进式培养,在掌握石油石化行业典型的电气节能技术的基础上,通过该平台进行电机选型、设计控制电路、分析设备耗能等各种实验模拟操作与分析,并能准确评价节能方案的可行性与经济性。

面向新能源接入的电能路由器模式切换协调控制策略

电能路由器(electrical energy router,EER)可实现新能源、储能及多种电能负载的灵活接入,协调控制和运行模式切换是其运行控制的重点。为实现EER运行模式的平稳过渡,降低EER运行模式切换时母线稳压单元控制模式改变导致的切换冲击,首先分析并网和孤岛两种运行模式切换时的电压扰动机理,研究系统内功率突变以及母线稳压单元控制器的调节过程对系统的影响。然后设计EER模式切换时序,提出一种基于移相比保持器、电流保持器的控制器输出量提前补偿的模式切换协调控制策略,能够实现端口功率的实时平衡,降低模式切换暂态过程中的电压扰动,提升系统的暂态稳定性。最后,通过Matlab/Simulink仿真软件搭建EER仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。

适用于多端口模块化多电平交直流变换器的分段变步长模型预测控制策略

传统模型预测控制存在计算量大及权重因子整定困难等问题,并且对于多端口模块化多电平交直流混合变换器(multi-port modular multilevel AC/DC hybrid converter, MP-M2ADHC)适用性不足。首先利用桥臂内电势等效原理分析了MP-M2ADHC的交直流耦合特性及内部功率平衡约束,并提出了分段变步长模型预测控制(piecewise variable step-size model predictive control, PVS-MPC)策略。通过多个寻优环节,在不同时间尺度下寻求最佳开关状态使得系统预测值与期望值的误差最小,实现了对多个控制目标单独控制。为满足预测模型精确离散化需求,进一步提出采用改进欧拉法对系统反馈值进行优化与校正,从而显著提高预测精度。最后,通过对变换器不同模式下功率双向传输的时域仿真,从输出电流跟踪、环流抑制及谐波含量等方面与传统模型预测控制进行对比,验证了所提控制策略与优化校正策略的可行性和有效性。

基于反演控制的DC-MMC双闭环解耦控制策略研究

随着大量分布式电源投入电网,分压式模块化多电平直流变换器(DC-MMC)得到广泛应用。针对模块化多电平变换器控制系统多输入多输出、强耦合非线性的特点,推导变换器拓扑数学模型,建立此类拓扑的电流和能量模型,提出一种基于反演控制的双闭环解耦控制方法。通过消除系统之间的耦合,采用模型反演理论对所建解耦模型进行控制,实现桥臂电流保持稳定并交流分量最小化,增强系统的抗扰动能力。在Matlab/Simulink中搭建DC-MMC双闭环模型,分析表明闭环控制模型具有良好的跟踪效果和调控特性,验证了提出的控制策略控制桥臂电流及高低压侧电流的可行性和有效性,为解耦控制的应用提供了参考依据。

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。

基于反馈精确线性化解耦的FMSS改进滑模控制策略

柔性多状态开关(flexible multi-state switch,FMSS)存在非线性和强耦合的特点,传统的比例积分(proportional integral,PI)控制难以实现输出功率的完全解耦,且存在PI参数调节困难、系统动态响应速度慢及鲁棒性差等问题。文中首先利用反馈精确线性化将FMSS由高阶非线性系统转化为2个完全独立的一阶线性系统,实现了有功和无功电流的完全解耦;然后针对传统滑模控制(sliding mode control,SMC)趋近速度慢、系统收敛性能差以及运动抖振大等问题,设计了一种基于自适应趋近率的改进SMC算法,对电压外环和电流内环进行优化,并通过Lyapunov函数研究了所提算法的稳定性;最后在Simulink软件中,对三端口FMSS在输出功率扰动、交流电压暂降及系统参数摄动等工况下进行仿真分析,结果表明所提控制策略增强了系统的鲁棒性和抗干扰能力,可有效提升系统的动态响应速度。

基于JMAG和MATLAB的电机三维等效磁网络建模仿真与实验分析

以单体励磁爪极场调制(SECPFM)电机为例,使用仿真软件JMAG和MATLAB对电磁学课程中复杂抽象的磁路问题进行具体化分析,并应用于电机静态特性研究,降低了学生理解“场化路”的难度。首先,在JMAG软件中建立单体励磁爪极场调制电机的三维有限元模型,并根据结构尺寸参数确定电机定子、转子和定转子间气隙的等效磁导数值;然后,在MATLAB软件中建立三维等效磁网络模型,并分析电机静态特性;最后,通过有限元仿真和实验测试均验证了三维等效磁网络建模的准确性和对电机静态特性分析的有效性。该方法可应用于电磁学相关课程教学中磁路原理的分析,有助于学生拓展等效磁网络建模的思维并提高相关的科研实践能力。

向海岛电网供电的MMC-HVDC有源/无源切换控制策略

基于模块化多电平换流器的直流输电系统(Modular Multilevel Converter based High-voltage Direct Current,MMC-HVDC)可为海岛电网等重要领域供电,当海岛电网处于有源和无源网络切换过程中时,存在有功功率不平衡、交流电压振荡等不稳定问题。因此,提出一种向海岛电网供电的MMC-HVDC有源/无源切换控制策略,该控制策略对外环功率控制和相角控制进行优化,消除切换时刻的瞬时有功功率不平衡,实现海岛电网的平稳切换。最后在PSCAD/EMTDC中搭建三相MMC仿真模型。仿真结果表明,在所提出控制策略的作用下,系统在有源、无源及两者切换时刻皆可正常运行,验证了所提控制方法的有效性和正确性。

MMC子模块电容电压改进控制方法的研究

介绍了模块化多电平换流器电容电压测量及均压原理,指出传统的电容电压控制下,当桥臂子模块数目过于庞大时,电压传输信号较多,增加了控制器设计难度。针对这一问题,提出了一种改进的电容电压测量方法,该方法中参与控制的电压信号数量仅为传统测量方法的一半,有利于降低控制系统的设计难度,减轻控制器工作负担。首先详细介绍了电容电压改进控制方法下的模块拓扑结构和电压测量原理,然后在此基础上,设计了改进电容电压排序算法,减少传统排序过程中不必要的运算量,在数据处理过程中进一步优化控制器运算,保证换流器稳定运行。最后搭建了仿真模型,验证所提策略的正确性和有效性。

考虑直流断路器的VSC-MTDC系统鲁棒阻尼控制器设计

直流断路器是多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统清除直流故障的关键设备。目前大多数直流断路器系统需要串联直流电抗器以限制故障电流变化率,而大容量直流电抗器与线路串联会抑制直流系统的阻尼,降低多端直流系统的稳定性。文中建立了含直流断路器的VSC-MTDC系统的小信号数学模型,并使用模态分析方法分析了影响系统稳定性的主要因素;针对断路器系统导致的稳定性问题,设计了基于H_∞混合灵敏度理论的阻尼控制器以改善系统的弱阻尼特性。在MATLAB/Simulink中搭建了四端VSC-MTDC模型进行了仿真分析,时域仿真和特征值分析结果证明所提控制方法可以有效抑制直流系统振荡,提高系统稳定性,且相较于其他传统阻尼控制器,更适合系统存在较强扰动和不确定性的情景。

潜油电泵变频驱动负面问题研究

变频器驱动潜油电泵存在一些缺陷,即需要较长的输电电缆传送至潜油电泵,增加了潜油电泵机组的故障率。根据均匀传输线模型及波的线路传输方程,分析了由此带来的波反射过电压振荡问题以及对输电电缆和电机绕组的影响。对变频输出共模电压及轴承电流的形成机理进行了研究,分析了其对潜油电泵轴承寿命的危害。合理地设计变频器及加装输出低通滤波器,可以有效地改善变频器的输出电压波形,从而抑制波反射过电压及轴承电流的产生,使潜油电泵正常运行。另外,输出低通滤波器可以滤出变频器输出中的高次谐波成分,有效地延长潜油电泵机组的使用寿命。

基于二极管钳位逆阻型双子模块的MMC直流故障自清除策略

针对传统半桥子模块无法实现直流故障电流阻断功能的问题,设计了一种二极管钳位逆阻型双子模块结构（D-RBSM）。在详细分析该子模块的直流故障清除机制,并与其他拓扑结构进行经济效益对比后,通过在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型对该子模块拓扑的正确性和有效性进行验证。结果表明,二极管钳位逆阻型MMC能够实现对直流故障电流的闭锁,同时可有效降低RB-IGBT对触发脉冲同时性的严格要求,提高系统的安全系数。