不平衡孤岛负荷供电需求下MMC换流器控制策略

当MMC处于孤岛运行模式时,如果供电给不平衡负荷,尤其是单相负荷,将会导致负序电流的产生。然而目前已有的MMC换流器控制策略不支持孤岛运行方式下的不平衡负荷供电需求。针对该问题提出了一种适用于孤岛不平衡负荷供电需求的MMC换流器控制策略。该控制策略包含正序控制和负序控制两部分。正序控制部分输出为调制波正序分量,控制PCC点的电压幅值;负序控制部分输出为调制波的负序分量,平衡负序电流在阻抗上的压降,从而使得PCC点的电压负序分量为零,保证了PCC点的电压满足国标的要求。最后在MATLAB/Simulink仿真平台下搭建了一个双端MMC-HVDC系统,验证了该控制策略的有效性。

基于伪双极MMC换流器的直流配电网接地设计

目前伪双极MMC换流器在实际工程中应用较多,其接地方案的设计是直流工程系统规划及设计的重要组成部分。本文从接地方式选择、故障电流计算及接地电阻选型三个层级展开研究,对直流配电网常用接地方式进行分析,建立联接变阀侧中性点经电阻接地直流配网单极接地故障模型,基于模型简化分析得到故障电流及故障时桥臂电流的解析表达式,提出接地电阻参数的计算选型原则,最后通过仿真验证了理论推导结果的正确性。

MMC器件损耗分布与电容电压纹波综合优化方法

逆变工况下,半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)(简称T_(2)管)损耗占比较大,减小其损耗有利于提升设备运行可靠性。同时,抑制电容电压纹波有利于减小电容需求及提高功率密度。然而,现有优化控制策略未关注损耗分布优化及电容电压纹波间的矛盾,难以兼顾设备运行可靠性及功率密度。为此,文中提出兼顾减小T_(2)管损耗及抑制电容电压纹波的综合优化方法。首先,通过分析电荷量对器件损耗及电容电压纹波的影响路径,阐述减小T_(2)管的通态损耗与抑制电容电压纹波间的内在矛盾。接着,通过引入罚函数,建立计及T_(2)管损耗及电容电压纹波的综合目标函数。然后,以主动旁路策略为例,通过分析二倍频环流与三次谐波电压注入对T_(2)管损耗和电容电压纹波的影响规律,提出基于二倍频环流及三次谐波电压注入的综合优化方法。最后,在MATLAB/Simulink及PLECS中搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明:该综合优化方法兼顾了T_(2)管损耗与电容电压纹波优化,一定程度上增加了设备可靠性与设备的功率密度。

高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是制约高压大容量换流器可靠运行的关键因素之一。为此,文中提出一种混合型MMC器件损耗分布优化方法。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性。其次,分析电容电压对器件损耗的影响规律,明确降低半桥子模块电容电压可减少其下部IGBT的损耗。然后,在不影响换流器外输出特性的前提下,提出计及三次谐波电压注入及桥臂输出电压指令值差异化分配的控制策略,通过最大程度降低半桥子模块电容电压,减少其下部IGBT损耗。最后,开展MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验,仿真及实验结果验证了所提方法可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,有利于提高换流器的整体可靠性。

模块化多电平换流器阀控装置录波功能研究

模块化多电平换流器阀控装置的录波功能对观察子模块运行状态和分析子模块故障暂态过程具有重要作用,阀控装置集成内部录波功能有较大研究意义。针对阀控装置需接入海量子模块的工程应用需求,本文提出一种基于多核处理器和现场可编程门阵列(FPGA)硬件架构的阀控装置内部录波方案,介绍阀控装置录波功能相关的硬件架构、软件架构和测试方法。本文采用模块化分层解耦设计方法,通过底层系统软件、图形化工具软件和上层应用软件共同实现装置录波功能。利用柔性直流仿真控制系统对阀控装置录波功能进行测试,结果表明该功能可以满足工程现场应用需求。

协调功率控制及环流抑制的模块化多电平换流器互联阻尼配置无源控制方法研究

目前,大部分模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的控制技术将功率传输与环流抑制分别进行建模和控制,难以保证系统的全局稳定性。为此,将具有全局稳定性和强鲁棒性的互联阻尼配置无源控制IDA-PBC(interconnection and damping assignment passivity-based control)方法应用于MMC的控制器设计中。在两相静止坐标系下建立MMC的数学模型和端口受控哈密顿模型,推导了IDA-PBC控制器的表达式和控制参数范围,与其他MMC控制方法不同的是,IDA-PBC控制器可以在控制功率传输的同时实现环流抑制,并可以得到控制参数取值范围,进而能够综合分析控制系统的稳定性。最后,通过仿真研究验证了所提控制策略的可行性和有效性。

MMC-HVDC双极故障条件下自适应限流控制策略

直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)广泛应用于柔直输电系统,其造价与开断电流密切相关。文中从减小断路器开断电流的角度出发,设计适用于半桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的自适应限流控制结构。在分析MMC直流侧短路电流特性的基础上,利用换流站输入阻抗幅值的变化反映其故障深度,定义换流站故障深度系数K f;将K f引入MMC控制结构,使其与桥臂电压参考值关联,提出针对MMC直流侧短路故障的自适应限流控制方法;在PSCAD/EMTDC平台搭建半桥型MMC柔直输电系统模型,模拟直流侧短路故障清除过程,验证限流控制的有效性。仿真结果表明:文中提出的限流控制方法可依据MMC不同故障深度,实现差异化限流控制,减小DCCB开断电流,提升故障清除速度。

基于比例和改进准谐振控制的MMC环流抑制策略

模块化多电平换流器(MMC)由于电容电压的波动会产生环流在相间流动,环流会增加能量损耗并对子模块中的绝缘栅双极晶体管(IGBTs)产生不良的影响。为抑制环流,基于环流的动态数学模型设计了一种能产生反向二倍频分量的比例控制器。针对环流中的高次谐波对传统的准谐振控制器进行了改进。对所提策略进行了仿真验证,仿真结果表明比例控制策略仅经过0.2 s后快速达到稳态抑制环流,改进后的准谐振控制策略相比于改进前THD值优化了3.56%,进一步降低了高频谐波分量,验证了所提策略的可靠性。

电网故障时基于MMC-PET接口风力发电系统的建模与控制

近年来,电力电子变压器(power electronic transformer,PET)作为电网接口的风能转换系统,无需额外的无功补偿器便可有效地抑制由风能暂态特性引起的电压波动,引起了广泛关注。但采用传统的PET结构在电网发生故障时难以控制,当电网处于不平衡时会使得控制难度进一步增加,且难以保证系统的动态性能。因此,为提升系统动态性能,增强系统的故障穿越能力,文中提出一种基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型PET的新型风能转换系统的结构与控制策略。首先,文中根据系统故障时的工作状态设计基于无源滑模控制的故障切换控制策略,采用具有斩波保护功能的子模块以及时疏解故障功率;其次,利用软件仿真和半实物仿真实验平台选取典型工况对系统进行详细的模拟研究;最后,将应用文中控制策略的新型风力发电系统与传统的风力发电系统进行对比实验,实验验证了采用文中控制策略的新型系统结构具有无功功率补偿、有效限制故障时子模块电压升高和改善电能质量等优点,且满足故障条件下电网运行的最新要求,具有优秀的故障穿越能力。

模块化多电平换流器子模块故障分析与诊断方法综述

随着模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的广泛应用,其内部存在的问题也日益突出并成为制约系统稳定运行的主要因素。MMC子模块拓扑结构分为半H桥型、全H桥型和双箝位型3种,其中最典型的是半H桥型子模块,其内部由2个IGBT以及与其反并联的二极管和1个电容组成。在运行平稳的电路中,若子模块内部二极管、IGBT、储能电容任一发生故障,都可能会引起系统内部电路结构的变化,致使系统无法稳定运行,甚至直接崩溃。因此,对子模块内部故障的研究很有意义。针对IGBT、二极管和电容在子模块中的故障情况以及故障诊断与定位的方法进行了详细的介绍与分析。

基于短路发电机系统的MMC型电压源换流器短路电流试验方法研究

作为构建智能电网的关键技术—基于电压源换流器(voltage sourced converter,VSC)的柔性高压直流输电技术在中国已经得到广泛应用:±350 kV鲁西异步联网柔性高压直流输电工程建成投运,±500 kV张北可再生能源柔性高压直流电网示范工程开工建设,±800 kV乌东德—广东高压直流输电工程进入工程实施阶段。作为电压源换流器VSC的一种典型结构形式,模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)是目前成熟应用于柔性高压直流输电工程最主要的换流装置,其性能直接影响柔性直流输电工程安全可靠运行。型式试验是考核换流器性能能否满足柔性高压直流输电工程运行要求不可或缺的重要手段,短路电流试验作为型式试验最为重要试验项目之一,主要考核换流器耐受短路电流的能力。文中研究了利用短路发电机作为大电流源实施MMC型电压源换流器短路电流试验的试验方法,搭建了试验回路,实施了柔性直流输电工程用MMC型电压源换流器短路电流试验,试验结果完全符合IEC 62501:2014和GB/T33348—2016标准要求,为考核柔性高压直流输电工程用MMC型电压源换流器短路电流耐受能力提供了等效试验手段,具有较强的工程指导意义。

鲁西异步联网工程MMC环流抑制对换流器输出电压谐波的影响

本文依托鲁西异步联网工程柔性直流换流单元开展研究,从换流器的基本原理出发,分析了模块化多电平结构换流器的桥臂环流对换流器输出电压的影响,分析表明无论有无桥臂环流,换流器输出交流相电压中均包含以3次为主的3、5次及以上奇数次谐波分量,而采用了环流抑制后换流器输出交流相电压3次谐波会有所下降,但并不能完全消除;采用了基于PR控制器的环流抑制策略来抑制鲁西工程柔直换流单元的桥臂二次环流谐波;通过PSCAD/EMTDC模型搭建了鲁西工程柔直换流单元的仿真模型,通过仿真计算数据和鲁西工程现场录波数据进行对比验证,证明了推导和分析的合理性及所采用的环流抑制控制策略在工程中应用的有效性。

基于拉依达准则的MMC子模块开路故障定位

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)凭借模块化结构等优点,被广泛应用于高压大功率输电领域。MMC含有大量子模块(submodule,SM),SM的开关器件故障是影响MMC可靠性的关键问题之一。其中SM开路故障不易及时检测,威胁系统正常运行,为此提出一种基于拉依达准则的SM开路故障定位方法。首先,对SM开路故障进行故障特性分析,根据SM开路故障会引起SM电容电压的异常变化,应用拉依达准则进行判别。其次,计算同桥臂内SM电容电压的均值和3倍标准偏差来构造一个置信区间,通过判断SM电容电压是否超出置信区间且持续一定时间来检测并定位发生开路故障的SM。该方法不需要额外传感器,不用建立精确数学模型,不用手动设置经验阈值,算法较为简单。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三相MMC系统仿真,并在实验室搭建单相MMC实验平台对该方法进行验证。仿真和实验结果表明,基于拉依达准则的SM开路故障定位方法能够快速有效地定位出发生开路故障的SM。

MMC型电压源换流器阀运行试验研究

随着柔性高压直流输电技术的发展,电压源换流器性能优势得到了越来越广泛的认可,基于模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的电压源换流技术在我国已得到了广泛的应用:南澳多端柔性直流输电工程、舟山多端柔性直流输电工程、鲁西异步联网柔性直流输电工程已经建成投运,±420 kV渝鄂直流背靠背联网工程、±500 kV张北可再生能源柔性直流电网示范工程已开工建设,±800 kV乌东德送电广东广西多端直流输电工程已进入工程实施阶段。MMC阀作为柔性直流输电工程系统的主要装置之一,为了保证柔性直流输电系统的安全可靠运行,换流器阀必须进行严格型式试验。运行试验作为型式试验的重要试验项目之一,考核换流器阀在最严酷重复应力下开通、关断以及导通时,能否耐受电流、电压和温度应力。依据MMC型电压源换流器阀实际工程运行工况,研究了运行试验方法,搭建了试验回路,并实施了柔性直流输电工程用换流器阀运行试验。结果表明,文中提出的试验方法和试验回路能够实施电压源换流器阀运行试验,试验结果符合IEC 62501:2017、GB/T 33348—2016、DL/T 1513—2016等相关标准要求。

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。

半桥型MMC直流侧故障限流组合控制策略

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流电网在直流短路故障时电流峰值较高且上升速度极快,严重时会造成MMC闭锁从而导致系统大面积停运。为在短时间内限制故障电流对系统的影响,文中提出一种对半桥型MMC适用的故障限流组合控制策略,利用MMC自身的高度可控性,无须外加限流装置,即可达到故障限流效果,并降低对直流断路器的技术需求。首先,文中阐述了限流组合控制策略中2种不同的限流环节及其基本原理。其次,分别分析2种限流环节对直流故障电流、交流电流以及桥臂电流的影响,推导限流组合控制下的直流故障电流计算式。最后,在PSCAD/EMTDC平台搭建半桥型MMC四端直流电网模型进行仿真分析,结果表明所述限流组合控制策略能够有效限制直流故障电流,减小故障点近端换流器的功率和电压波动,降低交流电流和桥臂电流的过流峰值。

基于模组解耦控制的高调制比混合型MMC电容优化方法

高调制比混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)子模块电容的均压控制方法借鉴半桥型MMC,全桥及半桥子模块电容的充放电行为存在强耦合,导致半桥子模块电容电压波动率较小,给电容值的优化带来挑战。为此,文中首先计算高调制比下两类子模块的电容电压波动率,以明确半桥子模块电容值的优化空间。进一步,提出全桥及半桥模组平均开关函数的设计原则,考虑子模块电容电压瞬时最大值的约束,实现半桥子模块电容值的优化。然后,在现有MMC基本控制框架下,提出基于模组解耦的控制策略,实现电容电压动态的准确控制。最后,在MATLAB/Simulink中搭建混合型MMC的仿真模型,对所提电容优化方法进行验证。仿真结果表明:所提电容优化方法不仅可以实现对全桥及半桥子模块电容电压直流分量和纹波分量的控制,还可降低半桥子模块电容值。

基于支持向量机的模块化多电平换流器子模块开路故障诊断方法

随着模块化多电平换流器(MMC)应用范围越来越广泛,其子模块的开路故障诊断方法成为研究热点。MMC的故障样本少,正常样本多,冗余子模块过多。针对此问题,本文提出基于支持向量机(SVM)的MMC子模块开路故障诊断方法,判断子模块故障发生在区内还是区外,以实现故障子模块的检测和定位。针对MMC子模块开路故障特征,选取子模块电容电压作为样本特征,分析子模块故障对A、B、C相样本的影响,通过赋予A、B、C相正常样本不同的权重系数,提高故障识别的准确率。最后,搭建MMC仿真模型,证明了所提方法的有效性。

基于阻抗法的MMC-HVDC并网系统高频振荡分析及抑制研究

针对某海上风电经多模块多电平换流器(MMC)接入电网系统,陆上换流站与电网发生宽频振荡的问题,基于阻抗分析的思想和MMC控制系统结构建立dq坐标下MMC控制系统频域模型。将MMC控制系统模型的d、q耦合部分转换至时域、abc坐标系下进行化简,实现了系统解耦,然后建立MMC控制系统abc坐标下的频域模型,进而结合MMC等效电路的分析建立其等效阻抗模型。通过阻抗分析法对换流器阻抗模型和电网阻抗模型的特性进行分析,验证了振荡发生的机理。最后对抑制宽频振荡的措施进行分析,给出附加带阻滤波器的解决方案,并通过现场案例的振荡现象进行验证。

基于龙伯格观测器的MMC子模块故障检测方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由大量子模块(submodule,SM)串联构成,是高压大功率领域最有发展潜力的变换器之一。SM功率开关开路故障和短路故障严重影响了MMC的可靠性,给MMC稳定运行带了巨大挑战。因此,为了快速地检测出故障SM,文中提出一种基于龙伯格观测器的SM功率开关故障检测方法。首先,分析SM故障特性,根据SM电容电压变化的数学关系,建立龙伯格观测器模型;然后,通过龙伯格观测器计算SM电容电压估计值,比较电容电压估计值与测量值,实现SM功率开关故障检测;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建MMC系统仿真平台,并在实验室搭建MMC实验平台进行验证。仿真和实验结果表明,龙伯格观测器能够准确有效地检测出SM开路故障和短路故障,验证了该故障检测方法的可行性与有效性,但要对每个SM进行监测。