计及直流电压控制的MMC换流站阻抗建模及其稳定性分析

多端柔性直流系统直流母线的动态特性对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)换流站阻抗特性及系统稳定性存在较大的影响,然而目前大多数针对柔性直流系统稳定性分析的研究,将直流侧简化为直流电压源,导致研究结果在某些工况下缺乏实用性。文章采用多谐波线性化方法,建立考虑直流电压控制的MMC序阻抗模型,说明考虑直流电压控制对准确分析并网系统稳定性问题的必要性,讨论直流电压控制参数的影响因素,探究直流电压控制参数的稳定边界条件,并提出两种基于直流电压控制的MMC阻抗优化方法,实现了并网系统稳定性的有效提升。论文在Matlab/Simulink中搭建考虑直流电压控制的MMC-HVDC并网站仿真模型,对其序阻抗模型、并网稳定性分析及阻抗优化与重塑方法进行验证。

计及零直流电压控制的混合型MMC-HVDC输电系统短路电流计算方法

混合型模块化多电平换流器通过零压控制限制直流侧故障电流,为准确分析计算故障后直流侧电流,考虑不同阶段控制系统作用建立其等值模型,并设计故障电流求解计算方法。在零压控制前,构建混合型MMC的串联RLC等值模型,利用受控电流源表征交流馈入能量对故障电流的影响;在零压控制后,分析上下桥臂电压动态调整对故障电流的影响,构建相应混合型MMC等值模型提高计算精度。采用状态空间方程计算2个阶段的直流短路电流,通过电容电压置零来计及零压控制后子模块投切引起直流侧电压复零的特性。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了双极混合型MMC直流输电系统,在不同工况下通过与详细电磁暂态仿真结果对比,验证了所提短路电流计算方法的准确性。

基于负直流电压控制的MMC快速无闭锁故障穿越策略

传统半桥子模块无法阻断直流短路电流,基于新型子模块的闭锁式故障穿越策略则存在换流器不可控、系统重启过程复杂等缺点,降低了模块化多电平换流器的可靠性。为此提出了一种基于负直流电压控制的无闭锁故障穿越策略,在直流侧短路后通过调制波下移将直流电压控制为负值,从而实现直流故障电流的快速清除。此外,针对无闭锁故障穿越过程中输出正负电平子模块之间电容电压不均衡的问题,提出了双排序控制算法以实现电容电压的快速均衡,同时设计了从故障发生至换流器重启整个过程中系统的无闭锁故障穿越流程。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,基于负直流电压控制的无闭锁穿越策略可快速阻断直流故障电流,在此过程中子模块电容电压保持均衡,可实现换流器的快速重启。

适用于多端柔性直流输电系统的新型直流电压控制策略

重点关注适用于多端柔性直流输电系统的直流电压协调控制策略,分析了现今最受认可的直流电压偏差控制策略以及直流电压斜率控制策略的缺陷,并结合2种控制策略的优点,提出了一种新型直流电压控制策略——直流电压偏差斜率控制策略。该控制策略利用直流电压偏差控制策略的偏差特性,实现了换流站直流功率的跟踪;利用直流电压斜率控制策略的斜率特性,加快了其动态响应能力。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中针对直流电压偏差斜率控制策略的特性进行了稳态仿真分析以及暂态仿真分析,仿真结果表明:采用直流电压偏差斜率控制策略后,多端柔性直流输电系统能够稳定、可靠运行。

适用于VSC-MTDC系统的直流电压控制策略

直流电压稳定是关系到电压源型直流输电系统可靠运行的关键问题之一。文中首先分析了在电压源型直流输电系统中直接电流控制和直流电压偏差控制的工作原理,然后提出了在电压源型多端直流输电系统中采用基于直流电压偏差控制的多点直流电压控制策略。控制器采用该策略后,能实现定有功功率控制模式与定直流电压控制模式之间的自动转换,确保定直流电压控制的换流站故障退出后,仍能实现对直流电压的控制和有功的平衡。以一个5端系统为例进行仿真验证,结果表明多端直流输电系统的运行可靠性得到提高,且获得良好的动态性能。

VSC-HVDC系统新型广义直流电压控制策略

建立了基于电压源换流器(VSC)的高压直流(HVDC)(VSC-HVDC)输电系统的标幺值数学模型。为了抑制系统故障时直流电压的波动幅度,基于上述模型,提出了一种新型广义直流电压控制策略。在此控制策略下,换流站间不需要通信,外环有功功率控制器为一个广义直流电压控制器(GDCVC)。当直流电压因交流系统受到扰动或直流电压控制器(DCVC)故障等原因而不能有效维持直流电压时,维持和限制直流电压的功能可平滑、自动地由有功功率控制器接替,从而达到保护设备安全运行、提高系统持续运行能力的目的。仿真表明,文中提出的控制策略在稳态和暂态过程中均具有良好的控制效果,对实际VSC-HVDC系统的控制器设计具有参考意义。

多端柔性直流输电系统直流电压控制无缝切换方法

维持直流侧电压稳定是多端柔性直流输电系统可靠运行的关键。针对某些MMC需要灵活改变控制方式的系统,本文提出一种新型的控制策略,其将定直流电压控制模式、定有功功率控制模式以及下垂控制模式相结合设计出多模式控制器,只需通过改变控制模式选择系数,即可实现三种控制模式间的无缝切换与下垂控制模式自身的转换。该策略不仅克服了下垂控制方法存在的无法使MMC功率稳定在某一需求值的缺点,而且减小了利用硬件开关切换时产生的波动与振荡问题,进而提升了系统的暂态特性。最后,搭建了五端柔性直流输电系统RT-LAB仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。

基于混合储能系统的双馈风力发电系统直流电压控制策略

风电系统故障及其处理过程中,双馈电机双变流器间会产生不平衡有功功率,导致直流母线电压变化引发电容击穿。基于变流器和直流电容的模型提出混合储能装置中超级电容器和蓄电池的协调控制策略,依据经验模态分解法提取直流侧功率幅值变化的高、低频分量控制DC/DC变换器,进一步计算了混合储能装置的容量约束方法,并通过MATLAB搭建模型验证上述策略。仿真结果表明:该方法能减少故障期间电机直流侧不平衡功率,稳定直流侧电压,提高系统的高-低电压穿越能力。该方法易于工程实现,可为风电机组配备故障全程穿越控制技术提供参考。

级联H桥混合型有源电力滤波器直流电压控制

由级联H桥变流器与LC单调谐无源滤波器串联所构成的混合型有源电力滤波器(hybrid active power filter,HAPF),为高压大容量场合下的谐波治理提供了一种低成本解决方案。传统的直流电压控制方法调节的是变流器输出电流中的有功分量,但HAPF中LC滤波器较大的基波阻抗极大地限制了该方法动态响应速度。该文提出一种改进的直流电压控制方案,该方法通过改变变流器基波调制电压来实现直流电压的调控,对比分析表明,该方法具有更好的动态性能。同时,针对级联H桥三相直流电压不平衡的问题,文中结合HAPF的输出特性,对现有的相间均压控制方法进行优化,提出一种简单的零序和负序电压合成算法。仿真实验和样机现场运行结果验证了所提直流电压控制策略的有效性和可行性。

基于零直流电压控制的混合型MMC-HVDC直流短路故障穿越策略

基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)短路故障穿越是柔性直流输电技术的重要研究内容。针对混合子模块型MMC-HVDC,提出了基于零直流电压控制的直流短路故障穿越策略,其中上、下桥臂独立控制策略能够在故障穿越过程中保证桥臂能量均衡,负压去游离策略大大提高了直流短路电流清除速度。仿真及实验证明了该策略的有效性,对比闭锁型故障穿越策略,该策略具有故障穿越过程中保持子模块均压、不间断MMC无功功率传输以及缩短MMC重启时间等优势。

适用于多端柔性直流输电系统的分布式直流电压控制策略

在总结多种系统级直流电压控制策略的基础上,提出了一种分布式直流电压控制策略。该控制策略由多座换流站共同控制多端柔性直流输电系统的直流电压,达到改善系统动态响应特性的目的;通过对换流站直流电流分配系数的控制间接调节有功功率。阐述分布式直流电压控制策略的总体结构、稳态控制策略及故障控制策略,在PSCAD/EMTDC仿真平台中针对主从控制、带死区的电压下垂控制、分布式直流电压控制3种控制策略进行典型故障仿真分析。仿真结果表明,分布式直流电压控制策略在典型故障期间的直流过电压水平较低、直流电流波动较小且过渡过程持续时间较短,动态响应特性较好。

弱电网下双馈风机多机系统直流电压控制时间尺度的建模与稳定性分析

研究了弱电网下双馈多机系统直流电压控制时间尺度的建模和稳定性。首先,建立了双馈多机系统直流电压控制时间尺度的小信号模型,包括直流电压控制、有功功率控制、端电压控制和锁相环,可以充分刻画风机直流电压控制时间尺度的动态特性。然后,通过特征根和主导振荡模态参与因子分析,研究影响双馈多机系统稳定性的主导风机和主导控制环路,其贡献点在于揭示不同控制带宽下影响双馈多机系统稳定性的关键因素。研究发现在双馈风机的各控制环路中,锁相环对风机稳定性的占主导地位,而直流电压环对风机稳定性的影响最小。最后,建立双馈多机系统时域仿真模型,验证了建模和稳定性分析结果的有效性。

用于系统直流电压控制尺度暂态过程研究的电压源型并网变换器幅相运动方程建模与特性分析

随着电压源型并网变换器(voltage source converters,VSCs)的大量使用,新型储能元件--直流电容在现代电力系统中已广泛分布。装备各直流电容在系统暂态过程中的能量积累与能量交换,可能引发系统出现与直流电容状态量(即直流电压)动态尺度相近的暂态稳定问题(文中称作直流电压控制尺度暂态稳定问题)。关于此,目前的文献在装备层面针对VSC直流电压的暂态行为及其控制优化进行了一些分析,但缺乏对多台VSC装备并入系统后因相互作用所引发的系统层面直流电压控制尺度暂态问题的研究。而认识VSC并网装备直流电压控制尺度下的暂态特性是研究现代电力系统相应尺度暂态过程及稳定性的基础。该文基于VSC完整矢量控制策略(包括直流电压、锁相及端电压控制等),应用幅相运动方程的建模方法建立适用于VSC直流电压控制尺度暂态特性分析的暂态模型。该模型为如何描述VSC并网装备相对电网的暂态特性提供了一种新的视角,使电气工程师可以像理解熟悉的同步机一样去理解VSC并网装备。最后,在Matlab/Simulink中验证了所建模型的正确性,并基于该模型分析了VSC对不同功率扰动的开环暂态响应特性及其与同步机暂态响应规律的异同。

具备干扰抑制能力的柔性多状态开关直流电压控制策略

为抑制系统干扰对柔性多状态开关(flexiblemulti-stateswitch,FMSS)直流电压的影响,提出了一种基于改进型线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)的FMSS直流电压控制策略。首先,根据直流电压动态方程和系统变量间的非线性关系设计了直流电压控制外环;然后,采用将干扰观测值前馈的干扰抑制方案,通过选取新的误差函数和状态变量提出了一种用于干扰观测的改进型LESO;最后,根据直流电压响应函数设计了干扰前馈环节。仿真结果表明,在干扰下FMSS直流电压波动比采用经典LESO时减小50%,同时直流电压恢复稳定的时间缩短13%,端口输出有功超调减小42%。因此所提策略能够有效抑制系统干扰对FMSS直流电压的影响。

基于深度强化学习的多端背靠背柔性直流系统直流电压控制

为了提高互联配电网多端背靠背柔性直流系统的直流电压控制精度,增强抗干扰能力,提出一种基于深度强化学习的直流电压控制方法,将深度学习神经网络与确定策略梯度融合,实现连续动作搜索,自适应调整电压控制策略。首先,建立多端背靠背柔性直流系统数学模型,分析直流电压控制的非线性和不确定性特征;然后,给出了基于深度强化学习的直流电压控制算法框架,设计了动作与状态空间、奖励函数、神经网络和学习流程;最后,通过仿真分析发现,相比传统比例-积分(PI)控制方法,所提方法具有更好的动静态性能,有效提高了直流电压的控制精度,减小了扰动下直流电压波动和功率超调,缩短了直流电压和功率的恢复稳定时间。

基于MMC离散数学模型的MMC-HVDC系统直流电压控制

在模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中,针对阀控层的直流电压控制,在载波移相调制方式的基础上,提出了改进型子模块电容电压均衡控制方法,以降低开关器件的开关频率。针对极控层的直流电压控制,推导了稳态时MMC电流离散数学模型,设计了电流内环离散控制器,实现了系统直流电压控制和功率解耦控制。为抑制由交流系统故障引起的直流电压波动,提出了含直流电压控制环节的外环有功功率控制器,以提高系统的持续运行能力。算例仿真结果验证了所提方法的有效性。

模块化多电平换流器附加直流电压控制策略设计

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的调制比保持在合适的区间内,提出了一种附加直流电压控制策略,可保证换流器输出全电平数的交流电压阶梯波形且稳定运行。首先,通过分析正弦脉宽的调制原理,得到满足换流器输出全电平电压波形且稳定运行的调制比最小限值和最大限值。然后,根据直流电压与调制比的非线性关系,设计了附加直流电压控制器,保证直流系统内所有换流器的调制比均运行于合适区间内。最后,采用11电平的双端MMC系统对所提策略进行验证。仿真结果显示,MMC-HVDC系统总能保持完整电平数的输出波形,并且总能够在不同的工况下寻找到一个新的稳态平衡点运行,验证了所提策略的可行性。

基于改进型恒压控制与直流电压控制的交流微网协调控制方法研究

PQ控制、下垂控制与交流微网中光伏发电、风力发电等微电源之间存在协调性差问题,该文通过采用交流微网的直流电压控制策略,可使直流电压控制与光伏发电、风力发电之间的配合与协调更好,但当采用直流电压控制时,光伏发电、风力发电微电源的恒压控制策略就无法实现,为此改进恒压控制策略,提出基于改进型恒压控制与直流电压控制的交流微网的协调控制策略。Matlab/Simulink仿真结果验证了该文所提控制策略的有效性和可行性。

PFC直流电压控制性能提升的非线性控制策略

在功率因数校正器(PFC)中使用快速电压控制时,直流侧纹波会引起并网电流谐波。针对这个问题,提出了一种在功率因数校正器中可减少快速电压闭环谐波含量的新型直流电压非线性PI控制策略。新控制策略基于Takagi-Sugeno型非线性模糊模型结合PI调节器实现,其优势在于既可以在系统稳态工作期间保持低谐波含量,又可在从负载动态中快速恢复。利用3 kW单相PFC样机测试平台开展了新方案和传统线性PI控制方案的对比实验,测试结果表明,新型非线性PI控制器在稍微提高算法复杂度的基础上即可大量降低电流谐波,并具有较快的动态响应。

多端柔性直流输电系统新型直流电压控制策略

随着电压源型换流器的发展,多端柔性直流输电技术受到了越来越多的关注。提出一种适用于多端柔性直流输电系统的新型直流电压控制策略。该策略通过在直流电压斜率控制中引入一个公共直流参考电压,作为多点直流电压控制换流站的电压反馈控制信号。最后,在PSCAD/EMTDC中建立基于模块化多电平换流器的4端柔性直流输电仿真模型,对所提出直流电压控制策略的特性进行稳态和暂态仿真验证。仿真结果表明:利用所提出的直流电压控制策略,多端柔性直流输电系统能够稳定、可靠地运行。