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。

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。

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。

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。

基于准Z源网络的高增益模块化多电平谐振直流升压变换器

针对目前模块化多电平直流变换器(modular multilevel DC-DC converter,MMDC)在工程应用中轻型化、高增益等需求,该文提出一种适用于中小功率新能源接入场合和柔性直流输电系统的单向非隔离型高增益谐振MMDC拓扑及其调制与控制策略。其子模块电容和桥臂电感发生串联谐振,工作在谐振状态。所提变换器特点在于:1)由准Z源网络、上桥臂和下桥臂三部分组成,正常运行时,上、下桥臂投入子模块数恒定,以保证高压直流侧输出电压的稳定;2)结合提出的子模块交替投切调制策略,可实现子模块电容电压自均衡;3)变换器下桥臂大功率子模块可实现软开关运行,具有较小的开关损耗及电磁干扰。详细分析所提变换器的拓扑结构、工作模态、功率流动、控制和参数设计,仿真和实验结果验证所提变换器拓扑和控制算法的有效性。

面向新型电力系统的柔性直流换流器统一控制架构

新型电力系统的发展对柔性直流输电技术提出了更高需求,随着异构串联型直流换流器拓扑架构的提出,柔直换流器已在拓扑层面实现结构统一。然而,在控制层面,传统柔直换流器控制虽然具备功率解耦控制能力,但交流电压、直流电压和子模块电容电压之间存在紧密耦合,难以发挥柔直换流器全控型器件运行灵活性高的优势。首先,基于现有直流换流器控制架构,提出控制自由度的概念,并引入调制比的表征方法,构建模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多自由度控制体系;然后,通过分析MMC换流器内部的电压耦合机理及其与调制比的关系,系统地揭示了现有MMC换流器的各种控制策略之间的关联性,形成具备“功能统一、结构统一”的MMC换流器的4自由度统一控制架构。并针对柔直系统中不同控制目标的MMC换流器分析4自由度控制架构的应用及其控制潜能;最后,在单端MMC物理动模实验系统中对MMC换流器4自由度控制在典型应用场景下的性能进行实验验证。

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。

基于电压源换流器型直流输电拓扑结构和调制策略

作为新一代直流输电技术,基于电压源换流器型直流输电由于采用全控电力电子器件,能够灵活实现有功功率和无功功率的独立控制,动态补偿交流母线无功功率进而实现交流电压控制,因此在新能源并网和交流电网互联等方面越来越显示出其独特的优势。而换流器作为直流输电系统中的核心部件,其不同的拓扑结构和调制方式会对换流器的输出性能带有一定的影响。以ABB公司和Siemens公司所提出的拓扑结构为例,对比分析了电压源换流器型直流输电两电平和模块化多电平的拓扑结构以及优缺点,并通过仿真分析了载波移相和最近电平逼近调制策略对输出电压电流波形的影响以及ABB公司CTL拓扑结构在环流抑制上的优越特性。

基于模块化多电平换流器的直流输电系统网侧不平衡故障穿越研究

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)柔性直流输电系统在电网发生单相或两相故障时,会导致MMC桥臂上产生两倍频的正序、负序和零序环流,零序环流由于不能在三相桥臂之间相互抵消而进入高压直流侧,会影响其他换流站的运行。为此设计了二次零序环流控制器来对其进行抑制。并针对不平衡故障时,在相同传输功率下子模块电容电压波动幅值变大的问题,提出了通过对桥臂注入一定的负序二次环流,降低子模块电容电压波动的控制策略。在Matlab/Simulink中搭建了基于MMC-HVDC的仿真模型,仿真结果表明此算法能保证直流母线电压的稳定,并降低子模块电容电压的波动,提高了MMC换流器不平衡故障的穿越能力。

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。

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。

基于模块化多电平换流器的高压直流电网机电暂态仿真模型

提出了基于模块化多电平换流器的高压直流电网机电暂态仿真模型。阐述了模块化多电平换流器交流侧等效模型及其控制系统模型,介绍了基于能量等效原则的换流器直流侧等效电容的计算方法。建立了基于隐式梯形积分的直流网络计算模型,能够处理含有中间连接点的任意结构的直流网络。提出了包括直流侧故障在内的4种形式的故障处理方法。在四端直流电网系统中,通过与电磁暂态模型的对比,验证了所提模型及故障处理方法的仿真准确性。

具有直流故障阻断能力的逆阻型模块化多电平换流器

提出一种改进的逆阻型MMC(reverse blocking MMC,RB-MMC)拓扑,其半桥子模块的下管以逆阻型IGBT替代传统的功率器件,并增加了并联旁路吸收回路,用于解决传统MMC的故障阻断能力问题。首先分析了改进的RB-MMC的拓扑和工作原理,在此基础上开展了对改进型RB-MMC的故障阻断机理及其主要功率开关器件的电气应力的研究,并通过仿真算例对所提出的改进型RB-MMC拓扑进行了验证。仿真结果表明,新型RB-MMC拓扑在原有正常模式下不需要改变控制策略与调制策略,而在故障阶段能够迅速实现故障电流阻断效果,通过引入旁路吸收回路,进一步降低了对电路触发脉冲一致性的要求。该文提出的改进型RB-MMC拓扑在高压直流输电系统领域中具有良好的工程应用前景。

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。

模块化多电平换流器直流输电稳态仿真分析

电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)是基于电压源换流器技术的新一代直流输电技术。该文介绍了模块化多电平电压源换流器的拓扑结构和工作原理。针对模块化多电平换流器(MMC)的电容电压平衡问题,提出了一种有效的电容电压平衡控制策略,保证个子模块电容电压处于相同的范围之内;并针对MMC-HVDC系统,采用载波移相调制策略。最后通过仿真软件PSCAD/EMTDC对上述策略进行了验证,仿真结果验证了策略的可行性。

具有直流故障阻断能力的混合型模块化多电平换流器

逆阻型MMC(RBSM-MMC)拓扑在处理直流侧故障电流时,下管逆阻型IGBT模块会出现较大的过电压,需满足极高的脉冲闭锁一致性,否则IGBT两端会承受极大的过电压,烧毁器件。提出了一种半桥-逆阻混合型MMC(RB-HBSM-MMC)拓扑,用于解决传统MMC的故障阻断能力和逆阻型MMC触发一致与尖峰电压的问题。在分析其混合拓扑结构及其故障阻断机理基础之上,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统。仿真结果表明:所提出的RB-HBSM-MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。RB-HBSM-MMC相比于RBSM-MMC,既可以实现对直流侧故障电流的有效阻断并能转移瞬时尖峰电压,解决过电压问题,降低对系统触发一致性技术要求,具有较好的应用前景。