模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制

介绍了模块化多电平换流器型直流输电系统(modularmultilevel converter based high voltage direct current system,MMC-HVDC)的起停控制策略。启动分为不控启动阶段和可控启动阶段,对不控启动阶段模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)的等效电路进行数学建模,得出了限流电阻与最大充电电流之间的数学关系,为限流电阻的选取提供了理论基础。停机分为能量反馈阶段和放电阶段,能量反馈阶段将MMC各子模块电容存储的能量部分反馈回电网,充分利用了MMC子模块储能的优势,提高了能量的利用率。放电阶段,通过一定的触发方式,逐步将能量耗散掉,该方法有效地降低了放电电阻的功率、阻值和耐压水平。最后,对建立的两端有源网络的MMC-HVDC系统进行了数字仿真,仿真结果验证了该启停控制策略的有效性。

模块化多电平换流器型直流输电的调制策略

介绍了模块化多电平换流器(MMC)的拓扑结构和工作原理。对MMC可以使用的几种调制策略进行了比较,当MMC用于直流输电这样的高压大功率场合时,需要的电平数很多,而最近电平逼近调制(NLM)正适用于这类情况。提出了NLM在MMC中的实现方法,给出了计算NLM基波和各次谐波幅值的解析表达式,绘出了NLM的基波分量和总谐波畸变率随电平数和调制波幅值的变化而变化的情况。指出了当系统进入严重过调制区时,NLM性能会明显恶化。利用PSCAD/EMTDC下搭建的仿真系统对NLM的基波和谐波特性进行了仿真。理论计算和仿真结果均表明使用NLM策略的MMC在较大的工作范围内都具有很好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平。

模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析

模块化多电平换流器型直流输电(MMC-HVDC)是新一代多电平电压源换流器直流输电拓扑,它利用多个子模块串联,并采用特定的触发方式使桥臂电压波形逼近正弦,但其三相间的内部环流使得流过桥臂的正弦电流产生畸变,增大了桥臂电流的峰值,从而提高了对开关器件电流容量的要求。为研究桥臂环流的计算方法,通过瞬时能量平衡关系,分析了MMC内部环流的产生机理,指出其为2倍基波频率,且为负序性质,并进一步推导了环流大小的解析表达式,为选择桥臂串联电抗器,抑制环流提供了依据。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了21电平MMC-HVDC双端系统模型,并采用了子模块电压均衡控制方法,仿真结果验证了该模型的有效性和环流计算公式的准确性。

模块化多电平换流器型直流输电的建模与控制

分析了模块化多电平换流器(MMC)的电路结构和运行特性,指出了MMC每相上、下2个桥臂交流输出端是等电位点。将三相等电位点虚拟短接后,每相上、下2个桥臂换流电抗可以并联成一个电抗,与交流系统相连,其结构与传统电压源换流器(VSC)类似。文中据此得到了MMC的简化等效电路理论模型。根据该等效电路理论模型,MMC的控制可以直接使用传统VSC的控制策略。将传统VSC常用的矢量控制策略应用于MMC型直流输电系统。时域仿真结果表明,MMC每相上、下2个桥臂交流输出端的电位非常接近,验证了所提出的MMC等效电路理论模型的正确性。仿真结果也表明所设计的MMC型直流输电系统的矢量控制策略控制性能良好。

模块化多电平换流器型直流输电电平数选择研究

为分析模块化多电平换流器型直流输电拓扑的输出电压电平数选取原则,在采用基波频率调制方式的基础上,分析了影响换流器输出电压电平数的三个关键因素,即控制器触发频率、子模块个数和电压调制比。推导了影响电平数的两个控制器触发频率临界值,并得出了换流器输出电压总谐波畸变率与上述三个影响因素的关系曲线,为选择MMC-HVDC系统的电平数提供了理论依据。通过PSCAD/EMTDC搭建了MMC-HVDC仿真模型,仿真结果验证了该模型的合理性及上述电平数选择原则的正确性。

模块化多电平换流器型直流输电系统启动控制

为抑制模块化多电平换流器型直流输电(MMC-HVDC)系统启动时产生的过电压和过电流,有必要对该系统的启动控制策略进行设计。文章基于MMC-HVDC拓扑结构,研究了连接有源或无源网络MMC子模块电容充电方法以及限流电阻的配置方案,并由此分别提出了双端有源和向无源网络供电的MMC-HVDC系统的启动控制策略,仿真结果验证了所设计的启动控制策略的正确性。

子模块混合型MMC直流输电系统的优化设计及其直流故障穿越策略

短路故障是影响柔性直流输电系统安全运行的主要问题之一,针对直流侧双极短路故障,首先研究基于串联双电容子模块(SDSM)与半桥子模块(HBSM)的混合型模块化多电平换流器(MMC)结构,该结构与传统的半桥-全桥子模块混合MMC相比具有较低的成本和损耗,分析直流侧短路暂态运行下SDSM和HBSM的配置比例设计要求;其次考虑到SDSM无自主负电平输出能力,提出基于电流相位的故障穿越策略,采用分层控制的思想,构建相电流状态矩阵并结合其相位差,保障换流站在故障期间能降压运行,维持系统稳定工作;最后在Matlab/Simulink中仿真验证上述分析以及所提故障穿越策略的可行性。

不平衡电网下模块化多电平换流器的直流环流均衡策略

不平衡电网下模块化多电平换流器(MMC)存在三相直流环流不均衡问题,易导致相间电流应力和热应力差异,降低其在不平衡工况下安全运行能力。该文从桥臂功率角度分析不平衡电网下三相MMC直流环流不均衡现象和基于零序电压注入的直流环流均衡机理。提出一种零序电压注入的直流环流均衡方法,通过网侧电流与直流环流偏差量计算得到零序电压相位,经过比例谐振控制器生成零序电压注入量,进而实现直流环流的快速、有效均衡。在所提出的控制策略的基础上,研究该方法对MMC桥臂电流峰值、有效值及子模块电容电压纹波的影响规律。仿真与实验结果验证了该文理论分析与控制策略的有效性。

模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析

基于模块化多电平矩阵换流器(M3C)的柔性低频输电系统在中远海风电外送、异步电网互联等方面优势突出。然而,有别于模块化多电平换流器(MMC)等其他电力电子换流设备,M3C的控制策略将导致系统故障特性发生显著变化。现有将电力电子设备负序部分等效为开路的故障等值与响应特性计算方法无法适用。文中计及M3C正序定电容电压总平均值控制、负序电流注入控制以及环流控制分层构成的桥臂电容电压均衡策略,推导了工频侧线路故障以后,M3C输入输出功率均衡、桥臂功率均衡(电容电压均衡的必要条件)与正负序电压电流间的映射关系,由此构建了工频侧线路故障(不对称、对称)后的M3C输出电压电流响应特性的等效模型。在此基础上,提出了M3C接入下工频侧线路故障后电压电流响应特性的精确计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建了海上风电柔性低频送出系统仿真模型,通过大量仿真算例充分验证了所提故障特性分析方法的正确性和精确性。

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。

电网故障时模块化多电平换流器型高压直流输电系统的分析与控制

电网故障条件下模块化多电平换流器型高压直流输电系统的控制策略是目前亟需进行的一个研究课题。为此,基于Kirchhoff定律,给出了描述模块化多电平换流器(MMC)交流侧和直流侧动态特性的通用动态数学模型。该模型不仅适用于交流电网对称状态,而且适用于交流电网不对称故障状态,并考虑了换流变压器漏感的影响。根据对称分量法将换流器的通用动态数学模型分解为包含正序和负序分量的2个子系统,引入了换流器的正序和负序电流矢量解耦控制器以及外环功率控制器,可以实现在交流电网正常以及故障状态下对模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统的有效控制。设计了电网故障期间MMC输送功率的动态限幅控制,可以根据故障的种类和程度调节输送功率的限幅值,防止开关器件过载。指出了总直流电流在3个相单元之间的分配在交流系统对称状态下是基本均匀的,而在交流系统不对称故障状态下是不均匀的。仿真结果验证了所设计的电网故障时MMC-HVDC控制器的有效性和正确性。

适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器最新研究进展

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)为多电平换流器家族中的一员,其技术特点非常适用于电压源换流器型高压直流(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)输电领域。为了分析MMC的最新研究进展,首先介绍了MMC的拓扑电路及其工作原理,分析了其技术特点和应用领域,比较了其相对于传统2电平和3电平VSC拓扑的优势所在。然后分别从MMC的数学模型、调制策略、子模块电容均压、预充电、内部环流、控制方面、换流阀试验以及其在VSC-HVDC系统中的工程应用等方面,回顾了MMC目前在国内外的最新研究进展和工程应用现状,并指出了MMC自身的缺点和今后亟待研究的关键问题。已有的研究表明,MMC在电力系统中有着广阔的应用前景,是未来高压直流输电技术的一个重要发展方向。

基于混频电源运行的模块化多电平矩阵式换流器阀段试验系统

模块化多电平矩阵式换流器(M^(3)C)是目前柔性低频输电系统完成频率变换的主要电力电子设备。M^(3)C包含9个桥臂,应用在高压大功率场合的串联模块数目众多,对其设备子模块的生产提出了特殊试验需求。在M^(3)C桥臂稳态电压和电流分析基础上,设计了一种应用于数个串联桥臂子模块(阀段)的对拖运行试验系统,可对其进行等效功率运行测试,以辅助M^(3)C设备的生产和出厂测试。提出了对拖试验系统的控制策略,搭建了由两组4个串联子模块构成的阀段对拖试验系统,进行了相关试验验证。试验结果表明,所提出的试验系统能够满足M^(3)C桥臂串联子模块的等效功率运行试验,并且对电源功率消耗要求不高。

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。

模块化多电平换流器型柔性直流输电海缆过电压特性

作为柔性直流输电工程的连接单元,直流海底电缆的绝缘水平关系着输电工程的安全运行。以舟山多端柔性直流输电工程中定海换流站至岱山换流站的海底柔性直流电缆为研究对象,采用统计法仿真计算了模块化多电平换流器型柔性直流输电海缆过电压分布规律,得出柔性直流海缆的绝缘水平。通过仿真计算,得出了直流电缆的故障过电压最大值,即导体对铅套、铅套对铠装和铠装对地的最大过电压分别为403.44 k V、6.72 k V和0.39k V;选取30%的绝缘裕度,确定了直流电缆的绝缘水平,即导体对铅套为525 k V、铅套对铠装为9 k V和铠装对地为0.6 k V。计算结果可为柔性直流电缆的选型及试验提供重要参考。

模块化多电平换流器型高压直流输电系统停运控制策略研究

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(modular multilevel converter based high-voltage direct current,MMC-HVDC),为了确保停运过程中子模块电容能够可靠且快速地放电,提出一套完整的停运控制策略。根据作用机理的不同,停运过程被划分为能量反馈阶段、可控能量耗散阶段和不可控能量耗散阶段。在能量反馈阶段中,通过提高调制比m,三次谐波注入,调节换流变压器变比及冗余子模块的投入,降低子模块电容电压,最大程度地将电容中的储存能量反馈至电网。在可控能量耗散阶段,子模块电容通过直流线路或者启动电阻进行放电,避免了放电电阻的使用。在不可控能量耗散阶段,子模块电容仅通过子模块电阻进行放电。最后,基于时域仿真软件PSCAD/EMTDC下搭建的400 MW/±200 kV数字仿真模型,验证所提出方法的有效性。

基于电流单向型模块化多电平换流器的混合直流输电系统

为了解决现有电网换相换流器（LCC）与模块化多电平换流器（MMC）组成的混合高压直流（HVDC）输电系统采用半桥MMC时不具有直流侧故障清除能力、采用全桥MMC时成本过高的问题,提出了一种使用新型的电流单向型MMC与LCC连接构成的混合直流输电系统。构建了单极800 k V/2 500 MW的双端系统模型,对其启动过程、典型故障过程和功率反转过程进行了仿真,结果表明提出的混合系统具有可行性、直流故障清除能力、短时无功支撑能力和双向功率传输能力。

模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制保护体系框架

在介绍了MMC-HVDC系统拓扑结构的基础上,阐述了MMC-HVDC控制保护系统的设计原则和主要功能,指出采用冗余配置和分层设计的必要性。控制保护系统是MMC-HVDC系统的核心之一,在搭建了MMC-HVDC控制保护系统总体结构的基础上,提出建立4层结构的MMC-HVDC控制保护体系框架,即直流系统控制层、极控制保护层、阀组控制层、子模块控制保护单元,并进一步阐述了各控制层的控制功能及各层相互关系。

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。

基于电流注入法的模块化多电平换流器损耗建模

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的阀体损耗较大,MMC型柔性直流精细化电磁暂态仿真及系统效率研究需要对阀体损耗有更准确的模拟。针对现有柔性直流电磁暂态仿真中的阀体因采用等效模型导致的不存在的虚拟损耗问题,提出了基于电流注入法的柔性直流含阀体损耗电磁暂态建模方法,包括采用有限采样法实现不同运行工况下阀体损耗值的准确自动计算,参考计算结果在建模中采用电流注入法对损耗进行补偿,实现对换流阀损耗的动态跟踪与模拟。最后,通过在PSCAD中搭建柔性直流电磁暂态仿真模型,验证了所提方法的准确性,研究结果可用于精确模拟含阀体损耗的柔性直流电磁暂态建模,且通过仿真可进一步开展降损措施研究。