High Performance Double-Interleaved Dual Boost Converter and 3 Phase Grid Connected Converter for Wind Turbine

This paper proposes a high performance double-interleaved dual boost （DIDB） technique to solve the problems of high ripple current, large inductor size and the requirement of step-up transformer in many case found in the conventional DC-DC boost converter. The 3-phase grid connected converter with decoupling control give an independent control between active and reactive power using the load current feed-forward. With this technique, the disturbance rejection and the output power quality can be improved. Experiments are conducted with three case studies： 1） a test of the DIDB converter to determine current ripple and voltage gain, 2） a test of the 3-phase grid connected converter to determine DC-link voltage regulation, power factor and total harmonic distortion （THD）, and 3） a test of the overall system with a 7.5 kW wind turbine simulator by step and various input wind speeds to determine the output power at the grid side and verify the maximum peak power tracking （MPPT） performance. The results can confirm that the DIDB converter gives lower ripple current and higher voltage gain than the conventional converter. For the grid side, the 3-phase grid connected converter can regulate the DC-link with fast dynamic response to disturbance rejection and low overshoot while complying with the THD standard defined in IEEE 519-1992. In addition, the MPPT controller is able to achieve the maximum energy capture with the various input wind speeds.

Implementation of FPGA Based MPPT Techniques for Grid-Connected PV System

Global energy demand is growing rapidly owing to industrial growth and urbanization.Alternative energy sources are driven by limited reserves and rapid depletion of conventional energy sources(e.g.,fossil fuels).Solar photovol-taic(PV),as a source of electricity,has grown in popularity over the last few dec-ades because of their clean,noise-free,low-maintenance,and abundant availability of solar energy.There are two types of maximum power point track-ing(MPPT)techniques:classical and evolutionary algorithm-based techniques.Precise and less complex perturb and observe(P&O)and incremental conduc-tance(INC)approaches are extensively employed among classical techniques.This study used afield-programmable gate array(FPGA)-based hardware arrange-ment for a grid-connected photovoltaic(PV)system.The PV panels,MPPT con-trollers,and battery management systems are all components of the proposed system.In the developed hardware prototype,various modes of operation of the grid-connected PV system were examined using P&O and incremental con-ductance MPPT approaches.

Topology for current-source grid-connected inverter with improved effciency and pulse width modulation control strategy

A novel topology of the current-source grid-connected inverter is proposed based on the immittance converter theory. A control strategy of sine-sine pulse width modulation （PWM） is studied. Compared with the traditional current-source inverter, the power frequency inductors and power frequency transformer are replaced with high frequency inductors and a high frequency transformer. Thus, the proposed inverter has advantages of small volume, low cost, low total harmonic distortion （THD）, low power losses, high power factor （PF） and simple control. Furthermore, grid voltage cannot influence output current of the grid-connected inverter and the current-source inverter with a high PF that approaches one has been realized. Finally, validity of the theory analysis and feasibility of the control scheme are shown by simulation and experimental results.

基于干扰观测器的MMC-PET交直流混合微电网并网/离网切换控制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)-电力电子变压器(power electronic transformers,PET)交直流混合微网在并网和离网两种模式下开关切换过程中存在瞬态过流和过压问题,从而影响输电质量并增加设备损耗,为此提出了一种基于扰动观测器(disturbance observer,DO)的并/离网切换控制策略。在该策略中,通过采用DO观测器对并离网切换引起的突变电流跟踪,并将实际电流与理论电流的差值作为等效干扰量,再将其输入到电流内环控制器进行补偿,从而可实现对突变电流的抑制。最后在Matlab/Simulink软件上搭建了MMC-PET交直流混合微网系统,并在并网-离网、离网-并网的两种切换工况下,通过把加入DO观测器与未加入DO观测器两种情况进行仿真对比,验证了所提的切换控制策略的有效性和可行性。

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。

Investigation and Evaluation of Multilevel H-NPC Converter for Electrically Driven Trains

In this paper the operation of a three level H-bridge converter as well as its parallel operations is analyzed and simulated on the computer. Based on the simulation results the operating behavior between （a） a three level H-bridge neutral point clamped convener, （b） a three level back-to-back H-bridge neutral point clamped convener, （c） two three level H-bridge neutral point clamped converters parallel connected is being compared. From the simulation results it is obvious that in the first two cases the ripples, the distortion in primary and secondary winding currents, and the power factor are quite satisfactory and almost identical to each other. In the third case as compared with the first two, it is observed that current harmonics with higher amplitude appear in the primary winding of the transformer.

双馈直驱风机混合接入MMC-HVDC送端系统的次同步振荡特性分析与抑制

双馈/直驱风机混合接入模块化多电平高压直流输电(modular multi-level converter based HVDC,MMC-HVDC)的次同步振荡事件频繁发生,已有双馈或直驱某一种风机与MMC-HVDC交互产生振荡的研究,但鲜有针对双馈/直驱风机混合接入MMC-HVDC的次同步振荡分析与抑制措施研究。该文首先阐述并分析了某双馈/直驱风机混合接入MMC-HVDC后发生次同步振荡实际事件的特征与原因,通过阻抗相量方法研究了双馈/直驱风机频域阻抗的交互影响方式。研究表明,在双馈或直驱风机单独接入MMC-HVDC不存在振荡风险的条件下,双馈和直驱风机并联接入后依然可能存在振荡风险。最后,根据电网调度运行的实际要求,提出了考虑机组启停数量调配的临时抑制振荡策略。

附加频率控制下并网换流器的动态惯量及其量化评估

新能源大规模并网显著降低了交流系统惯量,并网换流器参与频率控制成为提升频率稳定性的重要手段。基于传递函数模型推导了附加频率控制下并网换流器的动态惯量,发现其受惯量设计参数和其他控制环节的共同影响,呈现时变特性,但是将其简化为与同步发电机旋转惯量类似的常数会导致分析误差。为此,面向定直流电压控制和定功率控制这两类主流的并网换流器控制方式,提出了附加频率控制下并网换流器动态惯量的量化评估方法,分析了控制参数、运行工况和系统特性等不同因素对惯量的影响机制,得到了有功控制外环会显著改变原有设计惯量的结论,需重点关注其控制参数导致的惯量偏差。最后,基于在Simulink中搭建的时域仿真模型,验证了所提传递函数模型及惯量量化评估方法的正确性和有效性。

大功率并网变流器离散域电流控制策略

兆瓦级大功率并网变流器的开关频率较低,延迟和离散化误差对控制性能影响较大,导致动态响应慢、电网背景谐波影响大等问题。因此,直接离散域控制系统设计成为必要。该文针对LCL滤波并网变流器建立离散域数学模型,并基于此提出桥臂侧电流和网侧电流融合的离散域电流控制器。同时,为了在不额外增加电流传感器和检测电路的情况下获取并网电流信息,设计电容电压微分器,实现网侧电流的估算,降低硬件复杂性和控制成本。研究表明,该文设计的离散域电流控制器,具有较好的动态性能和电网背景谐波抑制能力。最后,通过硬件在环半实物仿真系统对所提设计进行了实验验证。

弱电网下并网变流器相位裕度的分频段补偿方法

在弱电网条件下,针对并网变流器各控制环节与电网阻抗之间交互作用,容易引发系统振荡而造成失稳问题,文中提出一种分频段相位补偿控制策略。首先,建立dq坐标下的并网变流器输出导纳矩阵模型,针对在低频段由锁相环引起的变流器输出导纳的负阻尼特性,不改变锁相环动态特性而通过分析锁相环对控制系统的影响路径,加入含积分元素的补偿矩阵抵消锁相环的负阻尼影响,同时简化导纳模型;进而,引入仅含常数元素的补偿矩阵实现超前校正,对电流环带宽外的负阻尼进行相位补偿,使导纳矩阵元素在全频段为正实部,为并网控制系统提供正阻尼,从而增强并网变流器的稳定性。最后,通过仿真和实验在不同短路比条件下对文中提出的补偿方案进行验证,证明所提方案的有效性。

高渗透率新能源发电并网变流器跟网/构网混合模式控制综述

随着新能源发电渗透率的不断提升,目前以跟网型控制为主流的并网变流器稳定运行受到严峻挑战,具有主动电网支撑能力且弱电网稳定性强的构网型变流器控制技术受到广泛关注。然而,在高渗透率新能源发电条件下,尤其是末端弱电网中,并网变流器采用单一的跟网或构网模式控制难以兼顾稳定性、经济性和电网支撑性能。为此,国内外学者从2种模式的互补特性出发,提出并研究了跟网/构网混合模式控制策略,以期使并网变流器在弱电网下稳定运行的同时,最大限度地利用新能源,并取得优越的电网支撑性能。文中首先从跟网型与构网型变流器的基本控制结构出发,分析了跟网型和构网型变流器控制性能的互补特性;在此基础上,重点梳理了几种不同技术路线的混合模式控制方案,涉及多种单机混合控制策略和多机的场站级混合控制策略,并详细阐述了各方案的技术研究思路、原理和优缺点;最后,对跟网/构网混合模式控制技术的发展进行了展望。

引入参数辨识的并网变换器事件触发预测控制

经典的三电平并网变换器模型预测算法具有计算资源占用度高、开关损耗大、控制精度受模型参数影响较大等缺点。为提高预测控制精度并降低系统损耗,此处提出一种引入参数辨识的三电平并网变换器的事件触发型有限控制集模型预测算法,该算法通过构建系统状态和动态事件触发条件之间的解析表达方程,利用系统状态实时反馈设置跟踪电流误差阈值的事件触发条件以减少系统计算损耗,同时,引入参数在线辨识,有效提高了系统参数鲁棒性,并实现了在尽量保持较小计算量的情况下还具有改善并网电流质量的优点。最后,构建了一台三电平T型并网变换器平台,实验结果表明,此处所提算法较之经典的模型预测方法有较大改善,具有较大的应用价值。

基于机网变流器协同的波浪发电系统控制策略

为实现波浪发电系统的高效平稳入网,以直驱式波浪发电装置为例,建立其数学模型和并网结构。将装置输出功率分解为平均分量和波动分量,从发电系统主动式控制的角度,进一步提出了阻尼控制和阻尼弹力控制下的最优策略,以使其高效运行。通过直流侧储能配置及机侧和网侧变流器的协同控制,实现电能的平稳入网。仿真结果表明,阻尼弹力控制较于阻尼控制,发电效率更高同时波动更大,直流侧储能及机网侧协同控制可有效平抑功率波动,为波浪发电系统的入网控制设计提供参考。

构网型变流器:物理本质与特征

全球能源产业变革促进了电力系统电力电子化转型,以新能源为主体的电力电子化电力系统中同步机占比低,系统呈现低惯量、弱阻尼特征,引发了一系列运行问题。构网型变流器本质为电压源,能够主动构建电压频率,为系统提供惯量支撑,有利于改善系统稳定性,是提高新能源主动支撑能力的有效手段,近年来成为研究热点。该文从电力电子化电力系统的运行问题出发,梳理了下垂控制、虚拟同步机控制等典型构网型控制策略的实现原理及内在联系,建立构网型控制策略的统一数学模型;通过类比稳态条件下同步机与构网型变流器的电压频率构建原理,揭示了构网型变流器的物理本质,从电压频率构建、惯量阻尼支撑、同步机制等角度解释了构网型变流器的内涵与特性,可为构网型变流器的稳定与控制提供理论参考。

构网型控制改善跟网型变流器次/超同步振荡稳定性的机理和特性分析

构网型(grid-forming,GFM)并网变流器具有良好的弱电网稳定性,同时能够改善跟网型变流器的次/超同步振荡稳定性。为明确GFM控制改善振荡稳定性的机理和特性,首先推导了GFM变流器电路特性与每个控制环节的关系,并分别从变流器自身电路特性、变流器并网系统整体阻抗特性角度揭示了GFM控制改善振荡稳定性的电路机理。然后,基于阻抗模型定量分析了GFM变流器占比提升对系统振荡频率、阻尼的影响。最后,利用电磁暂态仿真进行了验证。结果表明:GFM变流器在无功控制环节、电压外环作用下表现为“正电阻”,能够削弱跟网型变流器控制环节引入的负阻尼特性,进而改善系统次/超同步振荡稳定性;此外,GFM变流器占比提升能够显著改善系统振荡阻尼,但对振荡频率影响较小。

一种提高变流器弱电网适应能力的虚拟阻抗控制策略

弱电网下较大的电网等值电感可能引起并网变流器失稳,为此,首先,建立了并网变流器的阻抗模型,根据阻抗比判据分析了电网等值电感对并网变流器稳定性的影响;其次,针对并网变流器对感性电网阻抗适应能力较低的问题,提出了一种基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略,并研究了虚拟电阻值对变流器弱电网适应能力的影响,给出了虚拟电阻的选取原则;最后,搭建了系统仿真模型,仿真结果验证了文中理论分析的正确性和控制策略的有效性。

基于改进模型预测的并网变换器自适应虚拟惯性控制策略研究

针对低惯性直流微电网中母线电压易受网内功率波动影响的问题,提出了一种基于改进模型预测的直流微电网并网变换器自适应虚拟惯性控制策略。首先,电压外环引入自适应类虚拟同步发电机控制,通过将控制方程中的虚拟惯性参数与电压变化率结合起来,实现虚拟惯性参数的灵活可调。其次,在电流内环引入模型预测控制,并采用改进延时补偿算法,实现对给定电流值快速跟踪的同时改善控制系统的动态特性。最后,基于Matlab/Simulink建立了系统模型进行仿真。结果表明,与传统的虚拟惯性控制策略相比较,所提控制策略下的直流母线电压波动幅值更小且动态性能更佳,可以有效提高直流母线电压的稳定性和直流微电网的惯性。

大规模近海风电场VSC-HVDC并网拓扑及其控制

针对大规模近海风电场地理分布上高度分散以及主要采用双馈式或直驱/半直驱式风电机组的特点,提出了相应的电压源型变流器的高压直流(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)并网传输拓扑结构,并设计了相应的控制策略。为验证所提方案的可行性,利用Matlab/Simulink构建了一个近海风电场的5端口VSC-HVDC并网传输系统,并进行了系列仿真。仿真结果表明,所提VSC-HVDC方案可为大规模近海风电场的并网传输提供优化的解决方案。

构网型变流器多环控制阻抗建模与稳定性分析

构网型变流器的控制方式按照是否存在电压电流控制双环可以分为只含有功率控制环的单环控制和含有功率控制环和电压电流控制双环的多环控制。两种控制方式并网运行特性在不同频段有较大区别。该文首先建立考虑电压电流解耦控制双环的构网型变流器多环控制序阻抗模型,对比分析两种控制方式对变流器输出阻抗的影响;其次针对加入电压电流控制双环造成的低频相位裕度不足问题,提出引入虚拟阻抗方法提高变流器并网稳定性;最后利用仿真与实验验证了稳定性分析的准确性。