模块化多电平柔性直流输电数字-模拟混合实时仿真技术

针对基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC),提出了基于数字-模拟混合建模的实时仿真平台,介绍了其系统构成、等效原理、模拟比计算原则及其在我国首套工程开发中的应用。该平台包括相应的数字化系统模型、49电平MMC物理模拟装置、数字和模拟仿真平台接口,能够完成对实际工程中的换流阀阀基电子控制器(VBC)和换流站极控制保护(PCP)系统进行实时的全功能仿真验证。通过对上海南汇柔性直流输电示范工程进行故障态仿真,得出了相应的试验结果,并与电磁暂态仿真软件PSCAD的仿真结果进行了对比,证明了该系统为MMC-HVDC的动态特性和控制保护平台提供实时在线验证的有效性。

大规模多节点模块化多电平柔性直流输电换流阀控制周期优化设计方法

提出了换流阀控制周期的优化设计方法。基于模块化多电平换流器(MMC)的工作原理、控制架构和调制方式,提出影响换流阀控制性能的3个关键指标,分别为换流阀输出电平数、直流电压波动、阀解锁初始电流冲击;理论分析了其对换流阀控制周期的定量约束,并通过仿真与试验验证了理论分析的正确性,最后得出同时满足这3个指标的最大控制周期作为换流阀控制周期的最优设计值,并给出了工程应用算例。

模块化多电平柔性直流输电系统的直流侧启动方法研究

模块化多电平换流器的启动是系统正常运行的前提和基础,也是柔性直流输电系统运行过程中的重要环节。换流器交流侧为无源网络或待启动的有源网络时,启动过程需要增加辅助电源,增加成本和工作量。提出一种直流侧充电启动方法,通过不控整流预充电后子模块数递减方法解锁使子模块电容电压达到预先设定值,无需增加辅助电源,能有效限制充电过程中的电压和电流冲击。在PSCAD/EMTDC中搭建两端柔性直流输电系统模型,验证了该方法的可行性和有效性。

模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略

针对用于高压直流输电的新型模块化多电平电压源换流器,详细分析了其预充电动态过程,以寻求合适的预充电控制策略。首先以单站模块化多电平结构电压源换流器(modular multilevel converter,MMC)为研究对象,将换流器预充电分为2阶段,分析了各阶段,特别是MMC解锁瞬间过电流的形成机制及影响因素;为保证换流器解锁后,控制器对充电电流的有效控制,对多电平调制算法进行优化,使其在换流器预充电和正常运行阶段均适用;同时就基于MMC的柔性直流输电(MMC-HVDC)运用于向无源系统供电和作为"黑启动"电源的应用场合,需要一端交流源同时向双站两端预充电时,针对逆变站MMC电容充电不足的问题,提出一种整流站和逆变站协调配合的双站两端预充电控制策略;最后构建向无源系统供电的MMC-HVDC数字和物理仿真模型,验证了所提出控制策略的可行性和有效性。

基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电控制系统设计

为了设计并搭建基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电(MMC-MTDC)控制系统。首先分析了模块化多电平换流器的基本原理,并基于此基本原理设计了阀组级控制器以及采用矢量控制的换流站级控制器。接着,设计了适用于MMC-MTDC的直流偏差控制器;最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中对所设计的控制系统进行仿真分析。仿真结果表明:控制系统实现了换流站的功率控制与交流电压控制,并且使得换流站具备了孤岛供电能力;在定直流电压换流站故障退出运行后,后备定直流电压换流站能够自动实现直流电压的偏差控制;各级控制器间的相互配合使得所构建的MMC-MTDC系统稳定、可靠地运行。

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电动态模拟系统

介绍了基于模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电动态模拟系统,该模拟系统为背靠背的试验系统。以实际工程为原型,对交流系统、换流阀、换流变压器及直流电缆进行了等效模拟。并给出了交流系统、直流系统、换流阀、换流变压器的参数设计及模拟比设计。模拟系统采用了和实际工程现场一致的测量系统。介绍了故障模拟以及故障点设置。最后,介绍了动态模拟系统的稳态及故障穿越试验,并与实际工程现场的试验波形进行了对比,表明其能够准确模拟实际工程中的稳态及暂态特性,可以为柔性直流控制保护系统的设计提供试验验证。

柔性直流输电系统中模块化多电平变流器的直流侧充电策略分析

本文首先对柔性直流输电系统中的模块化多电平变流器的充电方式进行了分析。当柔性直流输电系统连接无源负载时受端站就需要通过直流侧进行充电。本文通过推导模块化多电平变流器直流侧数学模型得出直流侧充电必然存在过充现象。为了抑制过充电压幅值,本文提出了一种直流侧可控充电策略。并根据模块化多电平变流器本身的限制条件推导出充电系数的取值公式。同时,分析了充电电流的变化过程并根据数学模型计算得到充电电流的最大值,为模块化多电平变流器充电系统的设计提供了理论依据。最后,通过实验验证了本文提出的充电策略的可行性和有效性。

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。

基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统仿真分析

基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电(modular multi-level converter based multi-terminal high voltage direct current,MMC-MTDC)技术,能够实现多电源供电、多落点受电。作为一种更为灵活、快捷的输电方式,MMC-MTDC在新能源并网、电网互联等方面具有广阔的应用前景。本文主要研究分析对通信要求较低、应用较为广泛的MMC-MTDC系统的电压裕度控制策略,并仿真验证了该控制策略的正确性和有效性。

基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术

介绍了基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术的基本原理,推导了系统主电路的电压电流关系,并给出了仿真验证;介绍了模块化多电平变流器的控制方式,给出了一种MMC的控制结构;介绍了世界范围内柔性直流输电工程的应用情况,以及上海南汇柔性直流输电示范工程的工程概况、系统运行方式及控制策略,并讨论了用于南汇工程的直接电流控制的原理图和控制系统结构。

基于模块化多电平换流器的±500kV/3000MW柔性直流输电系统功率模块闭环测试方法研究

为满足与日俱增的用电需求,高电压、大容量将是柔性直流输电技术未来的重要发展方向。考虑到电力电子器件和电缆制造工艺的发展情况,±500kV/3000MW模块化多电平换流器将成为近年的研究热点。功率模块作为换流器的基本单元,它的设计对整个系统尤为关键。因此,需要对换流器功率模块进行实际工况下的测试试验以确保其设计符合工程要求。为设计有效的测试试验电路,本文首先分析了±500kV/3000MW换流器实际运行时的电气特性,然后介绍了现有测试电路的结构及原理,随后提出了两种测试试验的闭环控制策略,其分别基于交、直流电流解耦控制和PIR数字控制器,最后通过仿真验证了所提出的两种闭环控制策略的正确性和有效性。

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。

基于多电平变流器模块的直流输电系统控制

为了保证直流输电系统在发生三相短路故障时输电电压的稳定性,有效控制输电系统的运行,该文提出了基于多电平变流器模块(modular multilevel converter,MMC)的直流输电系统运行控制方法。利用反并联二极管与并联电容来设计多电平变流器模块,获得交流等效电感,保证换流站交直流量与有功功率相同,明确换流站内功率情况;将该模块与前馈解耦补偿项相结合,运用PI获得电流内环运行控制器的输入值,实现电流解耦,增强直流电压的稳定控制,提高输电系统抗扰动性能;通过修正与控制环节获得对应参考值,以及最佳运行控制结果。通过实验表明:设计的模块既能保证输电系统在正常工作状态下平稳运行,也能在发生故障时将影响控制在安全范围内,保证电力系统输电稳定。

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电控制策略研究

本文从MMC的拓扑结构入手,对其工作原理进行了详细分析,并针对MMC子模块的3个状态和6个工作模式进行了介绍。调制策略是MMC的核心技术之一,分析了适合MMC换流器的最近电平调制策略和载波移相调制策略的实现原理。

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。

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modularmultilevelDC/DCconverter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。

基于模块化多电平流器的柔性直流输电动模装置节点控制器的设计及其动模实验

为了解决目前模块化多电平换流器动模装置所有子模块均由一个阀级控制器控制从而导致的控制系统复杂、系统成本升高等问题。提出了一种在阀级控制器和子模块级控制器间加入节点控制器的方案并在此方案上研制了动模装置。节点控制器的加入降低了主机控制器的硬件要求和光纤通道的使用数量,大大降低了装置成本。同时,主机控制器与节点控制器之间的通讯采用循环冗余校验算法,增加了大容量数据高速传输的实时性和可靠性。通过对动模装置进行稳态实验和功率阶跃实验,结果表明系统能够正确快速地进行有功类物理量和无功类物理量的追踪控制以及子模块电容电压的稳定。

柔性高压直流输电中模块化多电平变流器交流侧充电控制策略分析

模块化多电平变流器(MMC)在柔性高压直流输电换流站中的充电方式可以分为交流侧充电、直流侧充电和交直流混合充电。本文分析了MMC交流侧充电的2个阶段,即不控整流充电及可控充电方式,并通过仿真验证了分析过程及计算结果的正确性。为了改善不控整流充电过程中电压波动和充电涌流过大的问题,提出交流侧双闭环结构的可控充电控制策略,仿真结果验证了该控制策略在控制直流母线电压及限制充电电流过流方面的可行性和有效性。

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。