考虑桥臂参数不对称和子模块故障的MMC协同控制策略

近年来,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)受到广泛关注并得到迅速发展,在实际工程中,MMC上、下桥臂参数不可避免地会存在不一致;另外,当MMC桥臂子模块因故障旁路时,会导致6个桥臂子模块数目的不对称,以上两种桥臂不对称现象,均会打破MMC内部原有的能量均衡,同时导致换流器阀侧电流出现直流和2倍频谐波,以及导致直流电流中出现基频和二倍频谐波等问题。为解决以上问题,该文考虑桥臂参数不对称和子模块数目不对称同时存在的复杂工况,提出了MMC协同控制策略,此策略在充分保留子模块电压保护裕度的前提下,即可抑制桥臂参数不对称导致的直流侧/交流侧谐波,又可抑制桥臂子模块数目不对称导致的谐波,有效的改善了MMC交直流输出外特性的性能。最后,搭建了双端MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析及所提策略的有效性。

MMC桥臂不对称运行特性分析及子模块故障下的控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的一种常见故障类型,故障子模块被旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为确保MMC在该状态下的稳定运行,对MMC桥臂不对称运行特性进行了详细的理论分析,提出了一套完整的子模块故障下的控制策略,包括基于电容比较的故障子模块定位方法及基于准比例谐振控制器的基频环流抑制方法;并在PSCAD/EMTDC软件环境下搭建了21电平MMC-HVDC仿真系统,对理论分析及子模块故障下的控制策略进行了仿真验证。结果表明:在不对称运行状态下,交流相电流基频分量在上下桥臂中不再平均分配,并且环流中将出现不对称的基频分量及三倍频分量,原有二倍频分量也略有增加;在提出的故障控制策略下,子模块定位方法能在一个周期内同时定位到多个故障子模块,同时基频环流抑制方法能对不对称运行状态下环流的附加分量进行有效抑制。仿真结果与理论分析的结果相符,验证了理论分析的正确性及所提出的故障控制策略的有效性。

新型多端口直流潮流控制器及其控制策略研究

直流潮流控制器是实现多端直流电网稳态潮流调节的关键装备,针对现有直流潮流控制器的局限性,通过在环形支路中串入输出直流电压可调节的级联子模块的方式,设计了一种新型多端口直流潮流控制器。首先,对所提控制器的拓扑结构和工作原理进行了阐述;然后,介绍了其控制策略和参数选择方法;最后,通过一个具有八条直流线路的五端直流电网的电磁暂态仿真案例对直流潮流控制器的性能进行验证。结果表明:所提控制器能够同时调节同一直流母线所连接的多条直流线路上的潮流,具有模块化和易扩展的优势。

MMC子模块电容电压平衡控制及环流抑制策略

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converters,MMC)的环流是指在公共直流母线正负极之间或者不同相桥臂之间循环流动的电流,会造成MMC整相桥臂输出电压之和不等于直流侧电压,从而在环流中引起大量谐波。为了消除谐波且实现无误差控制,选取PIR控制器对环流交流量进行控制,将三相环流变换至dq坐标系下,再与该坐标系下各轴环流分量参考值进行比较,经过PIR调解器进行控制,再进行反变换,回到三相静止坐标系,输出MMC阀侧k相电压参考值,从而抑制环流。

模块化NPC逆变器中点电位平衡及环流抑制的协同控制策略

本文研究了一种模块化三相三线制中点箝位型(Neutral Point Clamped—NPC)三电平逆变器中点电位控制与环流抑制的协同控制技术。首先介绍了模块化逆变器系统的整体结构与可切换的控制模态;然后针对NPC并联系统中特有的中点电位问题与模块间不均流的问题,提出一种和零序环流协同控制的准比例谐振的中点电压平衡算法。所提的优化控制方法可使NPC逆变器保证输出波形质量的同时具有更宽的稳定运行范围。仿真结果验证了理论分析的正确性。

新型能源子网的运行场景及控制策略研究

以一种双端并网新型能源子网为研究对象,该能源子网以电力集能器为核心,由光伏发电、储能装置、交直流负荷等单元构成。通过分析能源子网各组成单元的潮流流动情况,归纳了能源子网的多物理运行场景,并对其进行详细地分类分析;根据能源子网总体控制目标,研究了各种运行场景下的控制策略,设计了运行场景的切换原则;最后在Matlab平台上搭建了新型能源子网的仿真模型。经分析,该能源子网能够在多种物理场景下稳定运行,验证了上述控制策略的可行性和有效性。

具备有载调压功能的LCC-HVDC拓扑及控制策略

随着近年来高压直流输电的快速发展,换流变压器有载分接开关频繁动作导致故障数量明显增加,直接影响了直流工程的可靠性与电网的安全运行。运用(modular multilevel converter,MMC)模块化多电平可控电压源技术和基本原理,提出了一种新型具备有载调压功能的(line commutated converter based high voltage direct current,LCCHVDC)直流输电的拓扑结构和控制策略,实现了对电网侧电压的补偿,当交流母线电压降低时,无需调节变压器分接开关而维持阀侧电压在额定值水平,大大降低了分接开关的动作次数,提高了工程运行的可靠性。以CIGRE直流输电标准模型为算例,分析了提电压补偿在传统LCC-HVDC直流输电系统中应用的机理,验证了该控制策略的正确性和有效性。

混合型MMC启动策略及全桥子模块数目配置研究

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是柔性直流输电的研究热点。由半桥子模块(Half-bridge Sub-module,HBSM)和全桥子模块(Full-bridge Sub-module,FBSM)组成的混合型MMC非常适用于大容量架空线输电系统。考虑到混合型MMC的拓扑结构特点,首先提出了一种分段式启动控制策略;然后分别对两种最常见的直流故障(单极接地短路和双极短路)的故障机理进行分析,并结合故障机理提出两种子模块的数目配比方案;最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了401电平,±320 k V,1 000 MW的混合型MMC模型,对论文所提出的启动策略和直流故障穿进行仿真分析,结果证明了所提出控制策略的有效性。

交直流配电网用模块化变换器模型预测控制

针对交直流配电网模块化变换器IGBT开关状态组合多,计算复杂的问题,提出基于改进的子模块电容电压控制算法.利用MMC相电流、环流和子模块电容电压建立目标函数,根据改进子模块电容电压控制算法,消除了目标函数的权重系数,无需计算所有可能开关状态组合的目标函数,简化了传统MPC控制策略,降低了控制算法的计算复杂性.实例分析证明该方法能够在保证计算精度的同时,有效降低计算量.

基于动态调节的MMC故障子模块替换策略

为了更加高效和快速替换模块化多电平换流器的故障子模块,提出一种基于动态调节的冗余子模块投入策略。利用冗余子模块进行了电压补偿,同时在每个控制周期内对替换子模块的导通时间进行了限幅控制,有效地避免了替换子模块投入充电过程中系统直流侧电压偏离正常值问题和直流侧由于替换子模块投入产生的较大有功电流冲击问题。仿真表明,该策略能极大地抑制冗余模块投入带来的交流输出侧电压波动,并有效抑制直流侧有功电流的冲击。

智能悬架模块切换及底层控制器算法研究

为了满足车主在不同路况下对车辆悬架性能的需求,通过提出一种新型的智能悬架系统,结构上包括切换控制器以及主动控制、馈能2个子模块。顶层控制器采用单-双阈值的模块切换策略,根据路况匹配功能模块;底层分别采用BP-PID算法、LQG算法控制相应的功能模块。在Matlab/Simulink软件中对底层控制器进行仿真,结果表明:所设计的智能悬架系统在B级路面能够改善汽车平顺性,在D级路面能够有效提升汽车综合性能,底层控制器的设计符合要求。

改进模块化多电平变流器电容电压均衡控制策略研究

本文提出了新的均压控制策略。在变流器电平数不发生改变时,校验电容电压的范围,并通过投切电容电压满足要求的子模块以减小电容电压的波动,当电平数发生改变时,通过对未投入子模块进行排序,再投入或切除所需数目的子模块,减少了开关次数及排序的运算量,最后采用Matlab/Simulink仿真软件对两种控制策略进行仿真,证明了新的控制电压均衡策略有较好的控制效果。

含多线路直流潮流控制器的多端直流环网非瞬时断路故障特征及控制保护策略

随着多端直流输电(multi-terminal HVDC,MTDC)技术的快速发展,直流网络换流站间的互联度进一步提升,已逐步形成环网(meshed MTDC,M^(2)TDC)拓扑。环网中某条线路发生断路故障,必然引起网络控制自由度(degree of freedom,DF)减小,针对含多线路直流潮流控制器(current flow controller,CFC)的M^(2)TDC发生不同位置非瞬时断路故障下的故障特征进行研究,主要有3个贡献:1)发生近端故障时,提出CFC控制度切换策略,快速切除故障线路上的子模块(sub-module,SM),使之退出运行;2)当负责CFC电容电压稳定控制的SM所在线路发生近端故障时,提出基于SM控制量切换控制的电容电压稳定控制方法,保证CFC的正常工作;3)发生远端故障时,分析故障特征和CFC保护动作必要性,基于线路潮流的控制优先级,旁路控制对应的SM,使CFC控制度与M^(2)TDC的DF相匹,保证M^(2)TDC线路潮流的稳定控制。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立含4线路CFC的5端直流环网(MT_(5)DC),当不同位置发生非瞬时断路故障时,评估不同SM退出运行对系统运行性能的影响,仿真结果验证了所提出的控制保护策略可大幅提升CFC的控制灵活性和发生近/远端故障下的控制保护能力,保证发生不同断路故障时,CFC保持稳定运行的能力,提升M^(2)TDC发生非瞬时断路故障时的潮流可控性。

具备直流故障自清除能力的新型子模块拓扑

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电系统发展前景广阔,而传统的半桥结构MMC 子模块故障穿越能力较低。为此,首先提出一种具有直流故障自清除能力的子模块拓扑,该拓扑在直流侧故障时可利用反向接入子模块的电容电压来阻断二极管的导通,切断故障电流通路;其次分析比较了几种常见的具有自清除能力的拓扑在建造投资和运行损耗方面的成本;最后,为便于对已建成工程进行改造,提出了新型子模块拓扑的控制调制策略。基于PSCAD 电磁暂态仿真软件验证了所提结构的正确性和有效性。

多端柔性直流输电系统直流电压控制无缝切换方法

维持直流侧电压稳定是多端柔性直流输电系统可靠运行的关键。针对某些MMC需要灵活改变控制方式的系统,本文提出一种新型的控制策略,其将定直流电压控制模式、定有功功率控制模式以及下垂控制模式相结合设计出多模式控制器,只需通过改变控制模式选择系数,即可实现三种控制模式间的无缝切换与下垂控制模式自身的转换。该策略不仅克服了下垂控制方法存在的无法使MMC功率稳定在某一需求值的缺点,而且减小了利用硬件开关切换时产生的波动与振荡问题,进而提升了系统的暂态特性。最后,搭建了五端柔性直流输电系统RT-LAB仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于PSCAD/EMTDC,建立两端MMCHVDC仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。

柔性直流输电系统启动控制策略研究

基于MMC的两端及多端柔性直流输电系统,根据换流站充电策略的不同需要设计不同的启动模式,又由于不控充电过程中存在功率模块电容电压发散问题及多站启动时存在启动顺序等问题,需要合理的启动策略来保证基于MMC的柔性直流输电系统启动的安全可靠性。根据柔性直流输电系统换流站的充电策略分别设计了基于MMC的两端柔性直流输电系统的启动模式和多端柔性直流输电系统的启动模式。

新型四电容组合的半桥MMC子模块拓扑

随着模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在柔性直流输电工程的广泛应用,架空线路的直流侧短路故障频发,如何快速清除故障电流成为柔直工程中亟待解决的关键问题之一。传统的半桥子模块拓扑缺乏对直流侧故障清除的能力,而全桥子模块拓扑可以通过输出负电平来清除故障电流,但是其投资成本较高。基于此,在半桥子模块的基础上,提出了一种四电容组合的半桥子模块(four capacitor combined half bridge sub-module,FCC-HBSM)拓扑。FCC-HBSM通过4个半桥级联组成一个四电容的子模块,不仅可以快速有效地清除直流故障电流,还能够自均衡故障前后的电容电压。并且,相较于一些其他改进型子模块拓扑,所提子模块拓扑具有更简单的控制方式,同时减少了功率器件的数量,能够进一步降低换流站的建设成本。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,FCC-HBSM具有良好的直流故障清除和保持故障前后电容电压均衡的能力。

半控型H桥子模块提高HVDC换相失败免疫力的机理

为提高传统直流输电(line-commutated-converter high voltage direct current,LCC-HVDC)换相能力,提出一种适用于串入LCC-HVDC阀臂的半控型H桥子模块拓扑结构。它由晶闸管和电容器构成,从提高LCC-HVDC系统阀臂电压可控性的角度增大换相电压裕度。设计了子模块的工作原理及其基本控制策略,分析了子模块晶闸管电压电流应力及电容器相关参数,仿真计算了换相失败免疫因子与子模块个数关系。PSCAD仿真表明,阀臂串入半控型H桥子模块的LCC-HVDC,系统对称及不对称故障下其换相失败发生概率明显降低。研究结果验证了子模块拓扑的有效性及可行性,为解决换相失败问题提供了一定的思路。

基于快速排序法的MMC电容电压均衡控制策略

随着基于模块化多电平换流器的柔性直流输电工程容量和直流侧电压等级的提高,对子模块电容平衡控制提出了更高的要求。为降低众多子模块均压排序的计算量及MMC开关损耗,提出一种基于分治思想和快速排序算法的改进子模块电容电压均衡控制策略。根据每个控制周期的投切控制指令和桥臂充放电状态,将待投切子模块电容电压值进行两轮分组,然后根据具体投切数量在最小范围内选取与额定电容电压差值较大的子模块进行投切操作,从而避免对所有子模块进行重复排序。最后,通过在PSCAD/EMTDC中搭建MMC模型对本文方法进行了验证,结果表明该策略可以有效减小排序计算量并降低MMC开关损耗。