基于准Z源模块化多电平换流器的模型预测控制

针对准Z源模块化多电平换流器在使用传统载波叠层调制时,控制结构复杂、直流链电压的波动较大、交流输出电能质量较差及动态响应速度缓慢的问题,提出一种适用于准Z源模块化多电平换流器的模型预测控制策略。根据直流链电压构建输出电压电平的控制集合,预测输出电流,无需每个子模块设置一个脉宽调制发生器;同时,分析了准Z源网络电感电流、电容电压的数学模型,设计了电感电流、电容电压与交流输出电流的代价函数,以此抑制直流链电压的波动、改善输出电压的电能质量。在MATLAB/SIMULINK仿真平台上验证了所提控制方式的有效性和可行性。

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。

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。

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器控制方法

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器(MMC with partly integrated BESS,MMCPBESS)可以在接入储能的同时节约建造成本,但其控制更加复杂。针对下桥臂接入储能电池的MMC-PBESS拓扑,建立数学模型及等效电路。在此基础上给出电容电压均衡策略,提出了上/下桥臂分控的控制策略,并分析了其运行边界。在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,仿真了不同交直流功率比例的运行工况,所提控制策略可以在维持电容电压平衡的同时实现对电池充电的功能。该策略无需额外的环流计算,上下桥臂控制解耦,简单灵活。

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。

新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略

揭示一种新型多电平电压源换流器(voltage source converter,VSC),即模块化多电平VSC的起源与工作机制;介绍其子模块与VSC拓扑及相应工作原理;针对此新型换流器拓扑,并结合基于VSC的高压直流输电领域(high voltage direct current transmission system based on VSC,VSC-HVDC),提出一种基于幂和理论的改进型多电平基频开关调制策略。与通常策略中所使用的数字迭代技术,如"牛顿-拉夫逊"法相比,该文所提算法可显著简化运算、降低计算量,且能求出开关角的所有解;而通常算法仅能求出单一解,忽略了可能存在的其他解,最后进行了仿真验证。理论分析与仿真结果均说明关于模块化多电平VSC本质揭示的正确性及所提调制策略的优越性。

模块化多电平换流器电容电压新型优化平衡方法

针对传统电容电压平衡方法计算量大、器件开关频率较高的问题,提出一种适用于MMC-HVDC系统的直流电容电压新型优化平衡方法。首先分析了传统排序算法存在的问题并给出其优化方法,提出采用随机选择算法进行MMC均压排序,以大幅度地优化排序效率。在此基础上,提出基于随机选择算法的电容电压优化平衡方法,根据引入的重新排序判据,使MMC控制器在电容电压变化不大的控制周期避免排序并保持触发脉冲不变,在需要排序的控制周期采用效率更高的随机选择算法排序,从而既进一步减少了控制器运算量,又能有效降低换流阀损耗。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了所提优化平衡方法的可行性和有效性。

基于模型预测控制的级联式模块化多电平换流器控制策略

针对传统的模块化多电平换流器控制策略过于依赖控制器参数整定,以及传统的模型预测控制中存在权重因子选取困难等问题,提出一种基于模型预测控制的模块化多电平换流器多目标级联式控制策略,对多个控制目标逐级独立优化实现输出电流控制、桥臂环流控制以及子模块均压控制。控制策略在避免权重因子选取的同时还兼顾良好的控制效果。在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,验证了所提策略的有效性。

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。

模块化多电平型换流器电容电压二倍频波动抑制策略研究

针对当前关于抑制模块化多电平型换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)直流电容电压波动的研究较少被涉及,提出了一种用于抑制MMC电容电压二倍频波动的控制策略。由于相单元电容电压之和反映了子模块电容电压的二倍频波动,所以采用二倍频负序旋转坐标变换将换流器三个相单元分别的电容电压之和分解为dq0轴分量,并设计了相应的附加控制器用于分别控制相单元电容电压之和的dq0轴分量,从而抑制了子模块电容电压的二倍频波动。最后通过Matlab/Simulink搭建了包含该附加控制器的MMC仿真模型,结果证明所提出的控制策略可以在不增大子模块电容值的情况下,有效地抑制子模块电容电压的二倍频波动,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生不良影响。

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子模块对地电压分析及其dv/dt抑制方法

模块化多电平换流器在开关过程中,子模块对地电压变化产生的dv/dt对杂散电容充放电形成共模电流,造成严重的传导电磁干扰。文中推导子模块对地电压跳变值与桥臂中子模块位置的关系,分析不同跳变值出现的概率,指出某些位置会出现数倍电容电压(UC)的跳变。为将所有位置子模块的最大对地电压跳变抑制为UC,文中提出一种抑制方法,该方法基于上一控制周期的子模块投切状态、桥臂电流方向、电容电压及当前控制周期需要投入的子模块个数,来确定当前周期的子模块投切状态,并限制两个周期之间子模块投切状态改变的数目为一个或一对,从而达到抑制对地电压跳变的目的。最后通过实验验证子模块对地电压跳变规律及所提方法的有效性。

基于欧拉-拉格朗日模型的模块化多电平换流器的无源控制

为了均衡MMC各个子模块的电容电压,在采用载波移相调制方式的基础上,对传统的电容电压平衡方法进行了改进。通过在排序前依据桥臂电流方向引入不同的保持系数,使欲投入的子模块保持原来的状态,降低了开关器件的开关频率。对于MMC的控制,基于MMC两相旋转d-q坐标系的欧拉-拉格朗日EL数学模型和无源性,通过阻尼注入方法,提出了一种由状态期望稳定平衡点、状态及状态误差设计无源控制规律的新方法,并用该方法设计了无源控制器。该控制器可实现MMC-HVDC系统有功功率和无功功率的解耦控制,使MMC具有较好的动静态性能。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了21电平MMC-HVDC系统的仿真模型,仿真结果表明,改进的电容电压平衡控制方法和无源控制器是有效的。

模块化多电平换流器的快速电压模型预测控制策略

针对传统模型预测控制策略用于模块化多电平换流器(MMC)时存在运算量庞大的问题,在分析MMC离散数学模型的基础上,通过优化控制目标实现方式、简化滚动优化过程,提出一种结合排序均压思想的快速电压模型预测控制策略。该控制策略针对三相MMC系统,基于电压矢量预测模型进行设计,可在保留传统模型预测控制算法优点的同时令运算量得到大幅度减小,使其应用不受MMC电平数量限制。通过在MATLAB/Simulink软件中搭建双端21电平的基于MMC的柔性高压直流输电(MMC-HVDC)系统模型进行了仿真验证,证明了所提控制策略的正确性和有效性。

Y型模块化多电平换流器电流的微分平坦控制策略研究

Y型模块化多电平换流器(Y-type modular multilevel converter, Y-MMC)为一种具备大功率、低成本、高电压特性的三相交流-交流变换器,能够适用于海上风电领域。目前Y-MMC低频侧及工频侧电流一般均采用PI控制,而PI控制用于Y-MMC这种非线性复杂对象的控制效果并不理想。为此,提出了Y-MMC低频侧及工频侧电流的微分平坦控制策略来解决此问题。首先根据Y-MMC的拓扑结构,推导出其解耦模型;然后,推导正、负序微分平坦控制的数学表达式,并利用Lyapunov理论证明其全局渐进稳定性;最后,在Matlab/Simulink仿真平台上和在RT-LAB半物理平台上进行仿真和实验验证,结果表明所提微分平坦控制方法的正确性和有效性。

不平衡电网下Y型模块化多电平换流器电流的Lyapunov控制策略研究

Y型模块化多电平换流器(Y-typemodularmultilevel converter,Y-MMC)为一种能在大功率、高压场景下实现交交变换的结构,该结构制造成本低,在海上风电领域具有良好前景。当Y-MMC在传输中受不平衡故障的干扰时,输电质量下降,特别是采用传统PI控制这类线性控制方法时存在抗干扰能力弱、响应慢、精确度低及其PI参数动态整定困难等问题,为了提高实际应用中非理想条件下Y-MMC的鲁棒性、快速性、精确性和适应性,该文提出了不平衡工况下Y-MMC低频侧、工频侧电流的Lyapunov非线性控制策略。首先,分析Y-MMC电路结构,推导出其解耦模型;然后,对电压、电流进行正负序分离,设计Y-MMC的正、负序Lyapunov控制的数学表达式;最后,在Matlab/Simulink仿真平台上进行仿真分析,并把该文所提的Lyapunov控制与常规的PI控制相比较,验证了该文所提Lyapunov非线性控制方法用于不平衡工况下Y-MMC控制的可行性和优越性。

电压波动情况下的模块化多电平换流器宽频环流抑制

随着电力行业的飞速发展,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)越来越多地被用于直流输电、配电、新能源并网等情况。但是当MMC直流侧或交流侧发生电压波动时,都会在桥臂上产生环流。为了降低环流对MMC的影响,首先通过上、下桥臂电流和开关函数耦合推导子模块电容电压波动,得到环流在相序和频率上的传递规律。其次,基于准快速重复控制,结合准比例谐振控制器,设计环流抑制控制器,达到环流的宽频抑制和特定频率重点抑制的效果。最后在PSCAD仿真平台上针对直流侧母线电压波动、交流侧电压波动等2种异常工况进行仿真分析,验证了理论推导的正确性和所提抑制措施的有效性。

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。

模块化多电平换流器的新型桥臂故障容错控制方法

模块化多电平换流器(MMC)被广泛应用于中高功率的输配电场景中,相比传统换流器,MMC可以在桥臂故障的情况下保持容错运行,提高了供电可靠性.尽管已经有相当多的关于MMC的容错运行控制方面的研究,但当三相MMC的一个桥臂发生严重故障而必须被旁路时,其控制方法还没有相关研究.为了解决这个问题,提出了一种新型桥臂故障容错控制方法,该方法通过对桥臂环流的直流分量和交流分量进行调节,实现了对除发生严重故障而被旁路桥臂以外的上下桥臂电容电压的独立控制.通过使用MATLAB/SIMULINK对连接到低压电网的三相MMC进行仿真,证实了所提出的容错方法的可行性和有效性.

载波移相调制下模块化多电平变换器的两类共模电压机理分析

在载波移相脉宽调制下,适用于中压应用的模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)存在两类共模电压(common-mode voltage,CMV)问题,即系统共模电压(system CMV,SCMV)与桥臂共模电压(arms CMV,ACMV)。目前还未有学者对两类CMV的产生机理和基本成分进行详尽的分析,文中以开关函数和子模块电容电压波动为出发点,进而得出两类CMV的基本成分和产生来源,然后对SCMV影响下的轴电压和轴电流及ACMV影响下的桥臂环流进行分析;利用得到的两类CMV的表达式对CMV抑制策略下两类CMV的相互关系进行分析,并对两类CMV的机理分析进行仿真和实验验证,为研究两类CMV对MMC系统产生的影响及其抑制策略提供理论依据。