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。

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。

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。

模块化多电平换流器型高压直流输电的非线性解耦控制

模块化多电平换流器(MMC)是轻型直流输电的一种新型拓扑。本文介绍了MMC的拓扑结构及工作原理。在考虑桥臂电抗基础上推导出了MMC的电磁暂态模型,并设计了基于精确反馈线性化的MMC—HVDC非线性控制器。输电线路整流侧采用定有功功率和定无功功率控制,实现了有功功率和无功功率的解耦控制,逆变侧采用定直流电压和定无功功率控制。利用MATLAB软件搭建系统仿真模型,验证了所设计控制器的正确性。

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。

高压直流输电系统模块化多电平换流器(MMC)的宽频耦合阻抗模型

近年来,随着基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术的推广应用,相关的宽频振荡问题时有发生并引起广泛关注。针对曾发生高频振荡的鲁西柔性直流输电系统,基于实际MMC的控制参数,推导了鲁西柔性直流换流器的宽频阻抗理论模型。该模型反映了各控制回路的动态特性及其对阻抗特性的影响,并体现宽频上的频率耦合特性。建立了鲁西柔性直流输电系统的电磁暂态模型,并采用扰动辨识法获得了MMC的阻抗-频率曲线,与理论模型的对比分析验证了两者在数赫兹到2000Hz宽泛频率上的一致性。

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高压直流变压器的直流故障特性研究

下一代高压直流电网技术成为未来电网发展的重要方向,高压直流变压器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备,也是制约直流电网推广的技术瓶颈之一。然而有关模块化多电平换流器型高压直流变压器(modular multilevel converter based HVDC transformer,M-HVDCT)拓扑的故障响应特性和故障穿越能力的研究尚未见诸报道。在搭建PSCAD/EMTDC仿真模型的基础上,首先分析了M-HVDCT的直流侧线路双极短路、单极接地短路故障机理,分析了系统的故障输出特性。结果表明,双极短路时的子模块电容放电是造成瞬态电流冲击的主因,而变压器耦合的阀侧馈能则是稳态故障电流的原因;M-HVDCT对双极短路故障具有故障隔离能力,而单极接地短路故障则会因为变压器的耦合作用而传到非故障侧,从而给系统带来负面影响。仿真实验结果验证了理论分析的正确性,研究结果将为直流电网技术的工程化研究提供重要的理论和工程应用基础。

高压直流输电系统中模块化多电平换流器的重复预测控制

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)系统中最具潜力的拓扑结构之一。针对MMC中存在的直流侧电容电压平衡及桥臂间的环流问题,提出了一种基于重复控制原理的模型预测控制策略,通过求解一个最优化问题,得到每个MMC单元中最佳的开关状态,来抑制循环电流,并实现MMC单元的电容电压平衡。最后,在Matlab/Simulink中对五电平背靠背MMC-HVDC的重复预测控制进行性能评估。仿真结果表明,基于重复预测控制策略的MMC-HVDC系统运行更理想,实现过程容易且简单。

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。

高压直流输电模块化多电平换流器拓扑研究

基于VSC(Voltage Source Converter)的高压直流输电为解决大规模清洁能源并网等问题提供了新方法,现已投运的VSC-HVDC工程无法有效处理直流故障。阐述传统H-MMC拓扑无法快速有效阻断直流侧故障电流的原因,重点对比分析目前已提出的3类具备直流侧故障切除的改进型换流器拓扑结构的共性与不同点,研究其清除直流侧故障的机理。通过PSCAD/EMTDC软件对不同拓扑组成的换流器进行仿真分析,验证了提出的换流器阻断直流侧故障电流的机理,改进型拓扑组成的换流器具有较好的应用前景。

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。

电网电压不平衡条件下模块化多电平换流器高压直流输电控制策略

在电网电压发生不平衡故障时,分析了模块化多电平换流器高压直流输电(MCHVDC)功率分量特性。为实现正负序电流统一控制,引入复合控制器(比例积分+准谐振控制器)作为电流内环控制,避免了同步旋转坐标系下电流序分量分解问题。研究了抑制负序电流、有功功率波动控制策略,并利用电压降落和不均衡度指标设计了对应的低压限流环节。为降低环流造成的额外损耗,在分析环流分量故障特性基础上,设计了桥臂环流抑制器。最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中,搭建了仿真模型,对负序电流、有功波动抑制和环流抑制策略的有效性进行了仿真说明。

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。

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电缆过电压仿真计算和分析

在海底电缆运行中确保电缆安全是第1要务。为了更好地分析海底电缆过电压,依托舟山多端柔性直流输电示范工程,在PSCAD仿真软件中搭建了两端模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)仿真模型,采用统计法对定海—岱山直流电缆操作过电压进行了仿真计算,确定了其最大过电压。针对MMC-HVDC输电工程的特点,分析了闭锁延时时间、直流电缆长度和中性点接地电阻对直流电缆过电压的影响。结果表明:闭锁延时时间<2 ms可以有效降低电缆过电压,电缆长度与铅套-铠装、铠装-地之间的过电压呈正相关性,中性点接地电阻对电缆过电压无明显影响。

模块化多电平换流器型多端高压直流输电控制参数优化方法

针对模块化多电平换流器型多端直流(MMC-MTDC)输电系统的稳定性受不同换流站控制系统之间相互作用的影响,不恰当的控制参数可能会降低MMC-MTDC系统的稳定裕度问题,提出一种MMC-MTDC控制参数的优化方法以提升系统的稳定裕度。首先,建立包括MMC主回路、控制系统、交流系统与直流系统的MMC-MTDC小信号模型。其次,建立以特征值为目标函数的控制参数优化问题,并提出一种基于参数灵敏度的控制参数优化算法。在优化过程中,采用回溯直线搜索(BLS)计算每次迭代的搜索步长。最后,在一个三端MMC-MTDC系统中应用所提出的控制参数优化方法进行稳定性分析与时域仿真,并与粒子群算法进行比较。结果表明所提出的MMC-MTDC控制参数优化方法能够有效提升系统的稳定裕度,且在优化结果与优化效率具有一定的优越性。