一种增加辅助子模块的MMC改进混合调制控制策略

传统的最近电平逼近调制NLM(nearest level modulation)具有控制简单,开关频率低的显著优势,但在输出电平数较少时,采用NLM调制的模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)输出波形谐波畸变率较大。在传统三相六桥臂MMC拓扑的各桥臂中增加1个全桥结构的辅助子模块,控制该辅助子模块的电容电压为半桥子模块的一半。针对该MMC拓扑,提出了一种改进的混合调制策略,该混合调制策略可以实现半桥和辅助子模块的平衡控制。在降低MMC交流侧输出电流的谐波畸变率同时,还可以降低全桥子模块的开关频率和系统损耗。在Matlab/Simulink中搭建了详细的仿真模型,仿真结果验证了所提MMC拓扑和改进混合调制策略的有效性。

基于混合型MMC的柔性直流电网故障电流阻断控制策略

柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、输送和并网的有效手段。针对基于混合型MMC的直流故障电流阻断方案会引起功率传输中断的问题,本文提出了一种混合型MMC负压控制与超高速机械开关协调配合的故障电流阻断方法,该方法能够快速阻断故障电流并维持非故障线路的功率传输。通过分析故障电流组成及关键影响因素,确定了换流站的控制目标,基于全桥子模块的电压调节自由度,提出了利用混合型MMC输出负压主动吸收故障电流的控制策略,并设计了其与超高速机械开关的协调配合方案,实现故障的可靠隔离。最后,基于RTLAB实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,仿真结果表明,本文提出的方法可快速阻断直流故障电流,缩短直流电网功率恢复时间,提高系统安全稳定性。

LCC-MMC混合三端直流输电系统送端交流故障下的不间断运行协调控制策略

为实现基于电网换相换流器与模块化多电平换流器(LCC-MMC)的混合三端直流输电系统送端交流故障下的直流低电压穿越,提出兼顾传输容量与响应速度的自适应电压协调控制策略及有功功率分配策略。在维持故障期间功率续传的前提下,定量分析了模块化多电平换流器(MMC)的降压值以减少传输功率的绝对值损失量,并设计MMC根据本地直流电流偏差快速减投子模块总数的降压方式;考虑到半桥型MMC的调制比约束,设计正极MMC定量吸收无功功率与负极MMC动态调整交流电压参考值的换流站极间协同控制策略;同时,为抑制从站的过电流及避免送端严重交流故障时主站的潮流反转,提出各受端换流站有功功率自适应调整的控制方式。最后通过对输电系统送端交流电压跌落不同幅度时的故障穿越效果进行仿真分析,验证了所提控制策略的有效性。

基于虚拟阻抗VPI谐振控制器的MMC环流抑制策略

针对MMC相间环流包含的二倍频以及偶次高倍频问题,该文提出了基于虚拟阻抗VPI谐振控制器的新型环流抑制策略,该策略通过虚拟阻抗与VPI谐振控制器结合,从而有效抑制环流中二倍频及偶次高倍频。首先建立了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的数学模型,分析了内部环流;其次将环流二倍频分量利用陷波器精准提取之后采用VPI谐振控制器进行抑制;最后设计了虚拟阻抗,抑制环流中的高频谐波分量。利用Matlab/Simulink搭建三相MMC仿真模型并进行验证。

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。

含主动限流控制的MMC-HVDC电网直流短路故障电流解析计算

传统的MMC-HVDC电网直流短路故障电流计算一般采用等效RLC电路方法。但是该方法没有考虑主动限流控制(ACLC)对等效电路RLC参数的影响,因此无法直接用于含ACLC的MMC-HVDC电网的直流短路故障电流的解析计算问题。该文通过将ACLC的控制效果等效为虚拟阻抗产生的压降,建立了体现ACLC的控制影响的等效RLC电路,以包含电流变化率限流环节的典型ACLC算法为例,推导了直流双极短路故障条件下ACLC的控制参数与虚拟阻抗的映射关系以及相应的直流故障电流解析表达式。最后,以基于含ACLC的半桥型四端MMC-HVDC电网为例,建立PSCAD/EMTDC仿真模型,对采用ACLC的直流双极短路故障电流解析计算结果进行了验证。结果表明:故障后10ms内直流短路故障电流的PSCAD仿真结果与所提出的含ACLC的等效RLC电路解析计算结果的平均误差在8.29%以内,最大误差在10.99%。因此,使用所提出的方法具有工程实用性。

基于MMC的多端柔性直流配电网控制与保护

为提高多端柔直配电网系统的稳定运行能力,本文首先对分割的城市中压配电网进行互联设计了多端柔性直流混合配电网,对主要换流设备选型进行实例设计;基于下垂控制策略并结合功率参考值平移的曲线特性,将考虑电压限值的直流电压斜率控制方法应用于多端柔直配网,并制定本文设计案例的换流器保护配置策略。在PSCAD/EMTDC中完成10 kV多端柔直配网应用案例的搭建,最后仿真验证直流电压斜率控制策略及保护配置方案的有效性。

具备黑启动和构网能力的远海风电经DRU-MMC送出方案

由于具有成本低、体积重量小和可靠性高等特点,送端采用二极管整流器(DRU)、受端采用模块化多电平换流器(MMC)的送出方案在远海风电送出领域备受关注。鉴于DRU不能构建交流电网且无法倒送有功功率,文中提出一种具备黑启动和构网能力的远海风电经DRU-MMC送出方案。所提方案在DRU-MMC送出技术的基础上增加了常规小容量电压源型辅助换流器、耗能单元和必要的快速开关,通过直流海缆复用和快速开关倒闸重构拓扑,分别构建黑启动电源低压回路和风电传输高压回路,实现黑启动和功率传输2种工况在线切换;提出辅助换流器在不同运行阶段的构网控制策略,解决海上交流电网构建、DRU无功补偿和谐波抑制等问题,消除DRU-MMC送出方案对风电场类型的限制。最后,通过经济性分析和算例仿真,验证了所提方案的优越性和有效性。

基于MMC主动限流的VSC-HVDC双极短路故障控保协同策略

直流故障保护是柔性直流输电系统发展面临的主要挑战之一,利用模块化多电平换流器(MMC)的灵活控制实现限流已成为当前研究的热点。MMC的主动限流降低了故障电流变化率和故障电流幅值,易引起故障判断以及保护选择困难。文中以对称单极接线的柔性直流系统为研究对象,采用控保协同思想,将主动限流控制与故障识别相结合,提出了基于主动限流因子的故障区域识别与区分方法实现双极短路故障的区域识别与切除。首先,通过在MMC电流内环控制器中附加故障电流目标预设控制器,在故障发生后可快速跟踪故障电流的变化,自适应地调整MMC输出的直流电压将故障电流控制在预设目标参考值附近;其次,根据不同故障位置时故障电流目标预设控制器输出的限流因子快速确定故障区域。最后,在PSCAD/EMTDC中对四端柔性直流输电系统的不同故障场景进行了仿真分析,验证了所提控保协同策略的可行性和有效性。

MMC逆向模型预测控制策略研究

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的模型预测控制存在权重因子难以精确设计和计算负荷大等问题,针对这些问题,提出一种MMC逆向模型预测控制策略。通过逆向预测交流侧相电压和每相上、下桥臂总电压,并利用取整函数和目标函数寻优,计算上、下桥臂投入子模块数,独立控制交流侧电流和桥臂环流。所提方法在无需设计权重因子,且每个采样周期只需进行2次循环寻优的同时,还可使交流侧最大输出2N+1电平,并有效控制桥臂环流。此外,采用子模块电容电压分组排序算法来平衡子模块电容电压。最后通过Matlab/Simulink平台上的仿真,验证了所提方法的正确性和有效性。

基于虚拟电容的构网型MMC快速平滑切换策略

为减小构网型模块化多电平换流器黑启动完成后的并网瞬间冲击,提出一种综合考虑并网点电压的幅值、频率及相位的最优并网控制策略。通过实时检测并网两端的电压幅值、频率及相位,达到阈值后开始并网。同时,针对该策略同步时间过长的问题,提出一种基于虚拟电容的构网型模块化多电平换流器快速并网切换控制策略,在控制环节引入虚拟电容快速调节构网型模块化多电平换流器的电压相位,节省储能型模块化多电平换流器的备用容量。最后,通过搭建硬件在环测试平台验证最优并网控制和快速并网切换控制策略的有效性和正确性。

考虑异质器件混用与输出电平倍增的混合型MMC及其调控方法

首先,为提高模块化多电平换流器(MMC)输出波形质量、降低装置运行损耗,提出一种基于Si和SiC器件组合应用的混合型模块化多电平变换器(HMMC)拓扑结构。该拓扑每个桥臂包含N个Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的半桥子模块,每相交流侧串联一个直流侧电压为半桥子模块一半的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)全桥子模块,整体经济性较好。其次,提出一种面向输出电平数倍增的HMMC高、低频混合调制策略,并充分发挥SiC MOSFET开关损耗低的优势,在减小HMMC输出谐波的同时降低整体运行损耗。此外,分析混合调制策略下HMMC异质子模块直流侧能量的波动规律,提出一种高、低频模块直流侧电压稳定控制策略。最后,仿真和实验验证了所提HMMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将所提HMMC、基于单一器件MMC和现有HMMC在损耗和成本方面进行综合对比,证明了该方案在降低损耗和减小成本方面优势显著。

基于构网型MMC的环流抑制与调制策略研究

针对虚拟同步发电机控制的模块化多电平换流器(MMC)参与一次调频时,传统环流抑制与调制策略无法有效抑制桥臂环流,导致输出电流总谐波畸变率(THD)高的问题,通过改进比例谐振控制器的控制方式以及引入桥臂环流修正的最近电平逼近调制(NLM)策略,提出一种联合环流抑制策略。在MATLAB/Simulink软件中进行仿真。结果表明:在电网频率未波动时,采用联合抑制策略的桥臂电流THD为2.79%,相比准比例谐振控制器(QPRC)的THD降低0.92%;在一次调频工况时,所提策略a相电流的THD为1.75%,比采用QPRC的THD降低1.03%。结果证明:构网型MMC在正常工况以及一次调频工况时,所提环流联合抑制策略能有效抑制桥臂环流,降低THD,提升电能质量。

MMC控制器小信号稳定性判据研究

基于MMC(模块化多电平换流器)的高压直流输电广泛应用于大规模新能源外送,然而MMC控制器的惯性滞后特性可能带来小信号稳定性问题。首先,分析同步发电机的机械惯性,类比提出适用于MMC控制器的惯性二阶统一表达式。然后,基于MMC闭环控制器的动态特性和惯性滞后特性,提出连接弱电网的MMC控制器的小信号稳定性判据。最后,通过对双侧MMC并网系统的仿真分析,验证了所提稳定性判据的正确性。

适用于HVDC和HVAC高效稳定互联的MMC双端口电网形成控制

针对不同类型电网互联时互联电力变换器IPC(interconnecting power converter)控制模式复杂、控制难度大等问题,提出一种用于互联多个高压直流和高压交流子电网的IPC新型电网形成GFM(grid-forming)控制方法。该方法利用模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)同时控制其AC和DC端电压,并提出2个双端口GFM MMC控制策略。针对单端口GFM控制和所提双端口GFM控制进行仿真对比,结果表明,与单端口GFM控制相比,双端口GFM控制方法对突发事件(如线路和发电机停运等)的处理更具弹性,且不需为电网中的IPC端口选择GFM或电网跟随GFL(grid-following)的控制方式。

子模块故障下基于变执行频率的MMC功率损耗优化控制

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因其高度模块化和低谐波失真而逐渐成为最适合大功率应用的拓扑之一。当子模块(submodule,SM)发生故障时,故障桥臂中SM电容电压和开关频率将升高,这会导致MMC故障桥臂的功率损耗不平衡,从而影响MMC的寿命。文中提出一种基于变执行频率的功率损耗优化控制(variable execution frequency-based power losses optimization control,VEF-PLOC),该控制通过调整电容电压平衡控制的执行频率来调节功率器件的开关损耗,从而优化故障桥臂中功率器件的损耗。提出的VEF-PLOC能够优化SM故障下故障桥臂功率损耗,从而有效地提高MMC的寿命。最后,在时域专业工具PSCAD/EMTDC上进行仿真,并在小型MMC样机上进行实验,仿真和实验结果皆验证了提出的VEF-PLOC的有效性。

混合型MMC器件损耗分布与电容纹波电压综合优化方法

针对现有全桥-半桥混合型模块化多电平换流器(MMC)控制难以兼顾逆变工况下半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(简称半桥子模块中T2管)损耗降低与电容纹波电压抑制的问题,提出半桥子模块中T2管损耗降低及电容纹波电压抑制的综合优化方法。分析电容电荷对半桥子模块中T2管损耗及电容纹波电压的影响路径,指出半桥子模块中T2管通态损耗降低与电容纹波电压抑制间的矛盾。计及2倍频环流注入,分析模组解耦与主动旁路控制间的相互作用。考虑主动旁路控制降低半桥子模块中T2管损耗的优势及模组解耦控制抑制电容纹波电压的能力,提出模组平均开关函数及主动旁路半桥子模块个数的设计原则,并给出整体控制框图。在MATLAB/Simulink及PLECS中建立仿真模型,仿真结果表明:在调制比取0.827及单位功率因数下,相比主动旁路控制,所提方法可使半桥子模块中T2管损耗与电容纹波电压分别降低约20%和28%。

一种关于MMC谐波抑制的新型无源控制方法

针对模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)中由于桥臂共模电压的波动分量而产生的桥臂环流谐波抑制问题,在无源控制的基础上,提出一种结合改进重复控制的无源比例积分重复控制(passivity-based control-proportional integral-repeat control,PPRC)方法。首先,对MMC主电路内部电流和桥臂环流进行数学建模;其次,理论分析基于欧拉拉格朗日的无源控制和改进的重复控制,设计总体控制框图;最后,在动态条件下将所提PPRC方法与无源控制方法、无源比例积分控制方法进行仿真实验对比。3种控制方法的环流、桥臂电流和输出电流的对比分析结果表明,所提PPRC方法对桥臂环流中的谐波成分有着更好的控制性能。

基于A-MPC的MMC-HESS平抑光伏功率波动优化策略

为更好地解决光伏功率波动问题,提出一种光伏功率波动平抑及功率指令分配优化策略。首先,结合模块化多电平换流器-混合储能系统MMC-HESS(modular multilevel converter-hybrid energy storage system)提出自适应模型,预测控制实时平抑光伏功率波动,根据储能状态自适应调整目标函数;然后,提出霜冰算法优化的变分模态分解算法,双重分解储能总出力,完成MMC-HESS功率的初次分配;最后,通过充放电一致性优化、功率调整及模糊控制对功率分配指令进行双层优化。算例验证结果证明,所提策略能够有效平抑光伏功率波动,保护储能和优化HESS运行。

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。