面向中压直流配电网的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制策略

模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter-battery energy storage system,MMC-BESS)中各子模块功率周期性波动,与其相连的电池组充放电状态频繁切换,产生额外的电荷吞吐量,危害电池储能系统寿命。当MMC-BESS用于中压直流配电网时,其交直流侧功率传输情况复杂多变,增大电荷吞吐量的抑制难度。因此,文中针对中压直流配电网中的MMC-BESS,提出一种基于二倍频环流注入的电荷吞吐量抑制策略。首先,构建中压直流配电网中MMC-BESS的数学模型;其次,剖析MMC-BESS电荷吞吐量的产生机理,分析不同运行方式下电荷吞吐量的影响因素;再次,提出基于二倍频环流注入的电荷吞吐量抑制策略,以系统总电荷吞吐量最小为目标,选取不同工况下需注入的最优二倍频环流分量;最后,多种工况下的仿真及实验结果表明,所提方法可有效抑制中压直流配电网中MMC-BESS的电荷吞吐量。

模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电架构研究

随着大容量中压直流配电技术的迅速发展,模块化多电平直流变换器受到工业界和学术界的广泛关注。然而,实现高可靠的辅助供电是实现直流变换器在中压直流配电场景中应用的关键技术瓶颈之一。为此,提出一种面向模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电系统架构。该架构实现主控制器、子模块等辅电系统的中压直联馈电,从而无需额外低压直流电源,并且大幅提升系统启动速度。基于此架构设计,模块化多电平直流变换器的子模块控制器和旁路开关辅助供电均实现3倍冗余,提高系统容错运行的能力。在子模块电容预充电阶段,提出一种基于辅助电源自主控制的子模块电容均压方法,保证模块化多电平直流变换器可靠预充电。最终通过实验验证所提辅助供电系统架构的可行性。

基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统稳定性分析

中压直流柔性互联配电系统作为连接高压输电网和低压直流配电网的纽带,可实现源-网-荷-储的灵活接入,适用于未来城市能源互联网。建立了基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统小信号等效电路,推导了中压直流端口的阻抗模型,通过对比仿真测量与解析计算结果验证所建模型的准确性,并利用所建精确模型进一步研究电路参数和控制参数变化对系统稳定性的影响。在MATLAB/Simulink仿真平台搭建中压直流柔性互联配电系统的仿真模型,验证了所提小信号阻抗模型的准确性。

具备直流短路故障阻断能力的子模块桥臂复用型模块化多电平固态变压器

模块化多电平换流器的固态变压器(modular multilevel converter based solid state transformer,MMC-SST)由于具备多电压等级、多电压形态的端口,在交直流混合配电网中得到广泛关注。传统的输入串联输出并联(inputseriesoutput parallel,ISOP)型MMC-SST具有较高的功率密度,但是在中压直流(medium voltage DC,MVDC)端口短路故障情况下无法持续向低压侧供电;双向有源全桥变换器(dualactive bridge,DAB)型MMC-SST则存在功率密度低、成本高等问题,并且传统的半桥结构的DAB型MMC-SST在MVDC端口短路故障情况下同样无法持续向低压侧供电。文章提出了一种子模块桥臂复用(arm integrated submodule,AISM)型MMC-SST拓扑,在不改变MMC-SST端口电气特性的情况下,在有效减少开关器件数量的同时,还使得SST具备中压直流端口短路故障下的不间断运行能力,进而提升SST的功率密度和供电可靠性。针对文中提出的AISM型MMCSST拓扑,该文还提出了一种针对输入级MMC的混频调制方法,基于共模、差模解耦原理,实现输入级MMC桥臂电压的高频分量和低频分量的解耦。通过理论分析与仿真模拟,验证了所提拓扑及控制方法的可行性。

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。

船舶中压直流电力系统中模块化多电平逆变器的谐波性能仿真研究

[目的]对船舶中压直流(MVDC)电力系统而言,模块化多电平逆变器(MMC)的应用是目前研究的热点。MMC的输出电压波形是否为正弦波将直接决定MVDC电网和负载的工作性能,因此改善MMC的谐波性能显得尤为重要。[方法]首先,以船舶MVDC电力系统为背景,研究MMC的谐波特性与电压等级、桥臂子模块(SM)数量之间的关系;然后,针对控制器采样周期、载波频率、调制比和桥臂电感值等参数对MMC逆变器谐波性能的影响,开展仿真对比分析。[结果]研究结果表明:较高电压等级的MMC应配置较多的子模块;当明确MMC子模块的数量后,调制比和采样周期是MMC谐波特性的主要影响因素。[结论]所得结论可为中压型MMC逆变器的参数设计提供决策依据。

船舶中压直流系统中模块化多电平变换器的并联拓扑与控制优化

在船舶中压直流(medium voltage direct current,MVDC)电力系统中,并联式模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)因可以承担较大的桥臂电流逐渐受到关注,但MMC并联存在环流问题,会导致功率损耗和系统成本增加。为减少并联MMC的环流,首先对并联结构中子模块数对输出电压、交流侧总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)、传输效率的影响进行研究,找到最优子模块数,然后在分析MMC环流产生机理的基础上设计一种基于内模控制(internal model control,IMC)的并联协调控制策略,以此建立并联MMC-MVDC电力整流系统模型。MATLAB/Simulink的仿真结果表明,采用基于IMC的协调控制策略可有效减少并联MMC的环流,并提高桥臂承担电流的能力。

基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统自适应电压下垂控制

针对采用传统固定系数下垂控制的多端柔性直流输电系统发生大的扰动后直流电压可能超出系统安全运行允许范围的问题,提出一种可以提高系统电压调节能力的自适应电压下垂控制策略。首先,考虑模型精度建立模块化多电平换流器的戴维南等效模型;然后,根据传统下垂控制的功率-电压特性关系,结合采用下垂控制的换流站本地电气量,设计新的自适应电压下垂控制器,与传统下垂控制策略相比,所提出的自适应电压下垂控制器具有更好的直流电压调节能力;最后,在电磁暂态仿真软件(PSCAD/EMTDC)上搭建±200 kV四端柔性直流输电系统仿真模型,验证了所提出自适应电压下垂控制策略的有效性。仿真结果表明:所提出的直流电压自适应下垂控制策略的电压控制效果优于传统下垂控制策略。

中压直流配电场景下混合型MMC过调制工况对运行稳定性的影响分析

混合型模块化多电平换流器(hybrid MMC)可通过过调制运行实现中压直流(MVDC)配电网的直流故障穿越.现有研究未充分分析过调制工况下混合型MMC的运行稳定性,无法满足中压直流配电网的运行需求.为此,本文通过与正常工况进行对比,分析了过调制工况对混合型MMC运行稳定性的影响.首先,在电气与控制部分统一的dq坐标系下,构建考虑直流调制比的混合型MMC小信号模型,并将其与详细电磁暂态(EMT)仿真结果对比,验证所建立模型的准确性;其次,对比正常及过调制工况下的根轨迹,进而从控制参数可行域的角度分析了过调制工况对系统运行稳定性的影响;然后,基于主导模态特征根的虚部计算系统失稳时的振荡频率,并将其与相同控制参数下电磁暂态仿真结果进行对比,验证上述稳定性分析结果的正确性;最后,基于参与因子法计算各状态变量对于主导模态的参与程度,从而揭示对系统稳定性影响较大的关键状态变量.理论分析及仿真结果表明,混合型MMC的内部模态会随着交流及直流电流控制器参数的增大而逐渐趋于不稳定;相较于正常工况,过调制工况下混合型MMC控制参数可行域扩大,小信号稳定性提高.

模块化多电平变流器型中压直流牵引供电系统控制方法研究

针对当前交流电气化铁道存在的电能质量和过分相等问题,研究一种适用于高速铁路的模块化多电平变流器(MMC)型中压直流牵引供电系统(MVDC TPSS)。针对系统运行控制问题,提出一种多牵引变电所(TSS)并联运行协调控制方法,用于抑制牵引网直流电压的波动,提高牵引网直流电压水平,使系统具备更高的可靠性与即插即用性能。从MMC的等效简化模型出发,建立MMC型牵引变电所的控制小信号模型,推导出牵引变电所输出电流与牵引网直流电压间的小信号传递函数,研究输出电流前馈控制对系统动态性能的影响,分析在牵引负荷移动时控制系统的稳定性。最后搭建详细仿真模型,模拟实际牵引供电系统的运行工况,验证所提控制方法的有效性。

基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置及其协调控制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)高压直流输电技术(high voltage direct current,HVDC)受端交流系统故障引起的直流过电压问题,文中提出一种基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置拓扑及协调控制方法。该直流泄能拓扑包括模块化分布式泄能部分、限流电抗器和集中式泄能电阻3部分,对子模块工作模式进行设计,提出可避免直流泄能装置反复投切的弹性调节泄能的协调控制策略,推导直流泄能装置功率控制及其内部电气耦合关系,给出泄能装置元件参数的设计方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建MMC-HVDC及所提出的直流泄能装置模型,研究单相和三相接地故障下直流泄能装置的特性及直流过电压抑制效果。结果表明,所提直流泄能装置在协调控制策略下能够分阶段弹性调节泄能功率,有效抑制直流过电压,并有利于故障后的快速恢复。

模块化多电平开关串联型直流变压器的电流优化控制策略

针对模块化多电平开关串联型直流变压器在中压侧端口电压偏低和轻载情况下存在电流应力增大、运行效率降低的问题,提出了一种基于低压侧全桥内移相控制的电流优化控制策略。通过移相控制,在高频变压器端口产生零电平区间,抑制了传输电感电流尖峰,降低了器件电流应力及损耗。通过研究该直流变压器的工作模式,分析电流应力,以电流应力优化为目标制定优化控制策略。该策略采用分段计算移相角的方法,在维持开关管软开关特性的同时达到良好的闭环控制效果。最后,通过仿真和样机实验验证了所提优化控制策略的有效性。

向无源网络供电的模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制器设计

模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统向无源网络供电是MMC-HVDC技术的一个重要应用领域,因此有必要对向无源网络供电的MMC-HVDC系统的控制器进行设计,为此,基于MMC拓扑结构,推导了MMC数学模型,并由此设计了整流侧和无源网络侧的控制器,仿真结果验证了所设计控制器的正确性,且表明MMC-HVDC系统向无源网络供电是一种比较理想的输配电方式。

基于模块化多电平的柔性直流系统故障稳态特性分析

直流故障稳态特性对直流电网设计、保护配置以及一次设备选型等具有重要意义。针对模块化多电平的柔性直流系统,考虑了桥臂电抗对两极短路故障不控整流稳态运行期间换相重叠的影响,分析了可能出现的换相重叠角范围及各自对应的故障场景。针对不同的换相重叠角范围,分析了相应的桥臂导通工作情况,并据此推导出直流故障后稳态阶段直流电流、电压、桥臂电流、交流电流的精确计算公式。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了基于模块化多电平的柔性直流输电系统模型,通过不同故障距离的仿真算例验证不同换相重叠角范围下理论计算的准确性。

一种适用于多端直流系统的模块化多电平潮流控制器

为有效解决现有晶闸管潮流控制器在故障下所存在的严重过电压问题,提出了一种基于全桥模块化多电平换流器的模块化多电平潮流控制器。首先,对多端环网结构进行了系统分析,然后指出并分析了晶闸管潮流控制器的过电压问题。针对模块化多电平潮流控制器,通过子模块状态分析,指出了其故障过电压穿越内在机理,提出了过流保护措施,并设计了相应控制策略用于潮流控制。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了相关模型,针对模块化多电平潮流控制器的电流调节、双向运行以及过电压穿越三方面特性,进行了仿真分析。仿真结果表明:模块化多电平潮流控制器能够较好地调节潮流,且响应时间较短,各种故障情况下都能很好地实现过电压穿越。

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.

用于交直流配电网的模块化多电平换流器分序补偿控制策略

针对交直流配电网中三相负荷不平衡对电能质量的影响,提出了基于分裂电容式模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的分序补偿控制策略,控制MMC,通过直流侧电流补偿负荷电流中的负序和零序分量,从而使电网只需提供正序功率,提高了交流侧电能质量。同时,通过环流控制让不平衡功率在相间桥臂之间分配,并利用子模块储能特性来吸收不平衡功率,从而确保直流侧电能质量良好。对MMC直流侧功率控制进行了分析,采用零序控制改善直流侧电能质量,并对该控制下的子模块电容电压波动进行了评估。最后通过仿真和实验验证了控制策略的有效性。

基于模块化多电平直流变换器的储能系统分布式能量均衡控制策略

为了解决级联式储能系统中储能模组间能量均衡问题,同时提升系统的模块化程度,提出一种分布式能量均衡控制策略。该策略充分利用了双向直流变换器模块化结构的特点,将各子模块采用独立闭环控制。为了使子模组能够独立进行能量均衡,将下垂控制思想以及超级电容荷电状态(SOC)引入到电流闭环中,使子模组能够根据自身SOC状态调整工作电流,进而实现能量自动分布调整,达到均衡控制目的。为了减小模组SOC对系统电流的影响,控制策略中引入了电流校正环节,从而改善系统电流的调整率。该策略不影响储能系统稳定母线电压的能力,同时各储能模组间不需要任何通信,使系统具备了完全的模块化特性。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。

基于载波移相调制的模块化多电平电池储能系统直流侧建模

载波移相调制是模块化多电平电池储能系统中广泛应用的一种调制方式。本文针对载波移相调制和电池储能系统的直流侧进行了理论研究,提出了N+1调制和2N+1调制两种不同的载波移相调制方式的数学模型,发现载波周期内相开通模块数及其持续时间仅与调制比和桥臂模块数相关。基于此建立了模块化多电平电池储能系统直流侧的等效模型,发现系统直流侧可以用两个电压源和一个开关等效,其参数仅与调制比和桥臂模块数相关。在该模型的基础上,提出了一种桥臂电感取值的方法,可以在系统稳定状态下满足对直流电流纹波的设计要求。最后通过仿真验证了数学模型的准确性以及电感取值方法的有效性。

基于限流电抗器电压的柔性直流配电线路单端量保护新方法

柔性直流配电技术的理论研究已经步入成熟阶段,其线路保护方法的不完备成为制约该技术发展的重要因素,尤其是以快速动作为优势的单端量保护,耐高阻能力弱、所需采样率高等问题仍待解决。为解决上述问题,文中通过分析单极对称接线系统发生金属性双极短路故障和经过渡电阻故障时限流电抗器电压特征,利用限流电抗器电压及其负变化率积聚和构造保护判据,据此提出了一种基于限流电抗器电压的柔性直流配电线路单端量保护新方法。仿真结果表明,该方法能在0.5 ms内可靠识别区内故障,且耐受过渡电阻(20Ω)和噪声影响,所需采样率要求低,具有工程实用意义。