Nested-loop Mechanism Based Modular Multilevel Converter Topology and Optimal Design

普通模块化多电平换流器（modular multilevelconverter,MMC）拓扑中,因子模块数量较多,系统需采集和处理的信息量大,导致控制系统硬件构成复杂。提出一种基于循环嵌套机理的MMC拓扑,其电平输出能力得到显著提升。通过上下两组子模块的协调投切,相对于普通MMC拓扑,新型拓扑输出相同电平数所需的子模块及控制设备数量大幅减少。阐述该新型拓扑的构成方式及基本参数选取原则;针对循环嵌套结构,设计相应的模块协调控制策略;分别以模块用量最小化和换流器运行损耗最小化为目标,优化设计拓扑构成方案。在RTDS中搭建换流器模型,仿真结果表明,新型拓扑具备更强的电平输出能力,并达到大幅减少子模块数量、简化控制系统硬件构成的目标。

Overview on Submodule Topologies,Modeling,Modulation,Control Schemes,Fault Diagnosis,and Tolerant Control Strategies of Modular Multilevel Converters

In the present scenario,modular multilevel converters(MMCs)are considered to be one of the most promising and effective topologies in the family of high-power converters because of their modular design and good scalability;MMCs are extensively used in high-voltage and high-power applications.Based on their unique advantages,MMCs have attracted increasing attention from academic circles over the past years.Several studies have focused on different aspects of MMCs,including submodule topologies,modeling schemes,modulation strategies,control schemes for voltage balancing and circulating currents,fault diagnoses,and fault-tolerant control strategies.To summarize the current research status of MMCs,all the aforementioned research issues with representative research approaches,results and characteristics are systematically overviewed.In the final section,the current research status of MMCs and their future trends are emphasized.

大规模风电并网后江苏电网柔直换流站与UPFC的有功功率协调控制方法

随着“双碳”战略的提出与实施,我国将着力建设以新能源为主的新型电力系统。然而,风电等新能源大规模并网将给具有交直流混联特征的新型电力系统带来威胁与挑战。通过以十四五规划末期的江苏电网为例进行分析,发现在大规模风电并网背景下,江苏电网中部分“南北向”500 kV交流输电线路N-1后负载过重的问题亟待解决。为此,基于综合灵敏度计算方法,提出了一种综合利用柔直换流站和统一潮流控制器的有功功率协调控制方法,用于改善系统潮流分布并消除潜在的线路过载。最后,以江苏电网为例进行了仿真分析,对苏州500 kV统一潮流控制器、白鹤滩-江苏直流和某规划中三端柔直换流站进行了有功协调控制。结果表明,所提协调控制方法应用于江苏电网时可有效解决交流输电通道N-1后负载过重问题,且相比于典型最优化方法在计算速度上具有优势。

协调功率控制及环流抑制的模块化多电平换流器互联阻尼配置无源控制方法研究

目前,大部分模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的控制技术将功率传输与环流抑制分别进行建模和控制,难以保证系统的全局稳定性。为此,将具有全局稳定性和强鲁棒性的互联阻尼配置无源控制IDA-PBC(interconnection and damping assignment passivity-based control)方法应用于MMC的控制器设计中。在两相静止坐标系下建立MMC的数学模型和端口受控哈密顿模型,推导了IDA-PBC控制器的表达式和控制参数范围,与其他MMC控制方法不同的是,IDA-PBC控制器可以在控制功率传输的同时实现环流抑制,并可以得到控制参数取值范围,进而能够综合分析控制系统的稳定性。最后,通过仿真研究验证了所提控制策略的可行性和有效性。

虚拟同步机控制策略下的STATCOM相间电容电压平衡方法研究

针对基于直挂式级联H桥拓扑结构的静止同步补偿器在运行时产生的相间电容电压不平衡的问题,本文在虚拟同步机的控制策略基础上提出了一种平衡相间电容电压的方法。虚拟同步机具有响应速度快的优点,但用于静止同步补偿器来作无功补偿时会产生相间电容电压不平衡的问题。因此本文首先引入电容电压平均值来完成虚拟同步机的快速并网,其次将虚拟同步机算法的无功调节分为3部分来实现分相无功补偿,再在电压合成前引入电容电压平均值作反馈,以实现相间电容电压平衡。最后在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型,验证了所提控制策略能有效解决相间电容电压不平衡问题,并且仿真结果表明所提控制策略具有良好的动态响应特性。

混合级联多端直流暂态过电压机理及抑制措施

混合级联多端直流采用常规直流与柔性直流混合级联的新型拓扑结构,为我国远距离、大容量、多落点的能源传输提供了新模式,但常规直流与柔性直流之间的交互作用也引发了新问题。该文首先揭示实际受端电网交流电压恢复特性导致混合级联多端直流暂态过电压机理以及低端模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)闭锁风险;然后分别从送受端两个方面,提出降功率运行、改进送端移相策略和提升MMC有功功率传输极限等暂态过电压抑制措施。最后,基于PSD-PSModel软件,搭建送受端电网机电暂态和混合级联多端直流电磁暂态的混合仿真模型,仿真验证理论分析的准确性和抑制措施的有效性。

基于M3C的柔性低频输电系统启动控制策略研究

基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的柔性低频输电系统,其在远距离大容量输电、城市电网和海上风电送出等领域具有较大的应用潜力,近年来得到了广泛关注。目前对该系统启动控制策略的研究还较少,为此文中对该领域开展相关研究。首先对柔性低频输电系统结构和M3C基本原理进行研究,分析出了启动过程中将会面临的问题。然后结合全桥子模块特点为M3C设计合理的充电策略,并以双端M3C柔性低频输电系统为对象设计合理的启动逻辑,确保启动过程中低频断路器无冲击合闸并实现站间无扰动连接,同时在M3C解锁及低频电压建立过程中降低电流冲击。最后通过在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建仿真模型进行仿真研究,验证了所提启动控制策略的正确性和可行性。文中所提启动控制策略安全、可靠且易实现,具有较高的工程应用价值。

基于虚拟同步发电机的固态变压器交流端口柔性控制策略研究

固态变压器(solid state transformer, SST)能实现传统电力变压器的变压、隔离作用,还可实现灵活的电能调控作用,但不具备传统同步发电机的机械特性及同步运行机制。当分布式电源经SST接入电网时,由于其出力的随机性和波动性,将对上级电网造成冲击,导致电网电压/频率波动。提出一种基于虚拟同步发电机的SST交流端口控制策略。首先,建立模块化多电平型输入级和同步发电机等效模型,将虚拟同步发电机原理融入输入级控制策略,以提高SST并网端口的电能质量、惯性及阻尼特性,并使其具备参与电网调频、调压能力。其次,提出储能装置辅助调频控制,保障SST参与一次调频时低压系统负载功率消耗平衡。最后,确立了输出级虚拟同步发电机控制策略,以提高低压交流端口负荷功率响应特性,实现SST对上级电网的友好性。在Matlab/Simulink平台搭建仿真模型,验证了所提SST拓扑结构及其控制策略的正确性和有效性。

含电容单元的级联H桥七电平调制策略

针对传统三单元级联H桥直流电源电压利用率较低的问题,采用电容替代其中利用率较低的直流电源,构成含电容单元的级联H桥逆变器。围绕该型逆变器的调制策略及电容选择等问题,在载波层叠式脉宽调制策略的基础上,利用冗余开关状态改进现有调制策略。通过采集电容电压和输出电流,切换调制模式实现电容充放电控制。分析电容电荷量在不同调制度下的变化,得到电容电压稳定到参考值所需要满足的条件。考虑到电容纹波电压不超过参考值10%的要求,并结合最大连续放电区间,计算出最小参考电容,使逆变器达到最优配置。通过仿真和实验证明了新型调制策略可对电容充电并具有良好的稳压效果。

Modeling and Control of an Isolated Module Multilevel DC/DC Converter for DC Grid

This paper presents an isolated DC/AC/DC converter using a middle frequency transformer coupling two modular multilevel converters(MMC),suitable for interconnecting DC transmission lines of different voltage levels in high voltage direct current(HVDC)system.The basic operational principle of the isolated module multilevel DC/DC converter(IMMDCC)is analyzed.The dynamic model of IMMDCC is studied in detail and the transient relationship between DC side and AC side of IMMDCC is revealed,which is physically straightforward for understanding the power transfer in IMMDCC.The control strategy in D-Q coordinate system is put forward,and the fault characteristic and corresponding protection method is analyzed.Finally,computer simulation using Matlab/Simulink is performed to verify the dynamic model and the proposed control strategy.The simulation results show good performances and the quick response ability of the proposed control strategy.

基于级联多电平换流器的两级式储能系统控制策略

储能技术是构建以新能源为主体的新型电力系统的关键技术和维持微网可靠稳定运行的重要保证。国内外现有理论研究及示范工程主要集中于单级式链式储能系统,功率模块与电池系统之间无源连接,结构简单但控制自由度不高。同时,针对基于链式储能的电池荷电状态(state of charge,SOC)不均衡问题,现有的相内SOC均衡控制策略存在不同负载率适应性不足、极度不均衡时可能过调制等缺点,为此,文中基于两级式链式储能系统,研究其总体控制策略,对相间、相内SOC均衡策略进行分析,并提出一种自适应的相内SOC均衡策略,详细说明均衡控制参数的设计原则。该策略能有效地改善链式储能系统在轻载、重载等不同工况下的适应性和均衡效果。最终通过仿真验证了所提控制策略的可行性和有效性,从而为工程实施提供理论储备和技术支撑。

基于改进的准比例谐振控制MMC逆变器环流抑制策略

模块化多电平逆变器(MMC)由于子模块电容电压的波动引起电容电压的不平衡,进而导致相间环流(CCSC),给系统造成一系列的影响。结合环流谐波成分分析,设计一种基于改进的准比例谐振(QPR)控制器的环流抑制策略,通过改进控制器的控制方式,采用坐标变换将环流中负序的二次环流谐波和正序的四次谐波同时转变成三次的环流谐波,然后采用改进的控制器来抑制变换后的三次环流谐波,对比传统PI环流抑制策略,分析了改进的QPR控制器的可靠性。基于MATLAB/Simulink平台上搭建五电平的MMC逆变器仿真模型,验证所提出控制策略的有效性和可靠性。

适用于混合级联直流输电系统的柔直换流器直流侧控制方法

针对高低阀级联组成的特高压混合直流输电系统,提出一种适用于柔直换流器的直流电压控制方法。在选取单个柔直换流器作为定直流电压控制模式的基础上,其余定功率控制换流器加入分级辅助电压控制,稳态时精准控制直流功率,动态时针对不同电压波动,分级投入电压辅助控制,快速平抑直流过电压、欠电压和长时振荡问题。在此基础上,级联结构中的多柔直换流器直流侧不经平波电抗而直接并联,为避免多换流器间振荡,加入直流阻尼控制方法。最后利用实时数字仿真(RTDS)系统搭建级联直流系统仿真模型,仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

一种量化误差可控的少子模块MMC混合调制策略

由于中低压配电网下电压等级较低,模块化多电平换流器(MMC)子模块数量也较少,因此少子模块MMC的调制方式对MMC系统的性能有重要的影响。为改善少子模块MMC在最近电平调制方法的输出电压谐波畸变率(THD)大以及在载波移相调制下开关损耗大的缺陷,提出一种为少子模块MMC系统在最近电平逼近调制下设置量化误差,通过判断量化误差将最近电平逼近和载波移相混合的MMC新型混合调制策略,量化误差小于系统给定的量化误差时采用最近电平逼近调制方式,否则采用载波移相调制方式。同时结合环流控制和子模块电压均衡控制,进一步保证少子模块MMC在该混合调制下的正常运行。最后,建立子模块数为4的MMC混合调制的仿真模型,对该少子模块MMC混合调制策略进行仿真研究,结果表明:所提出的少子模块MMC混合调制策略在降低MMC开关次数的同时可将MMC调制误差控制在系统给定的量化误差范围内。

基于MMC的海上风电柔性直流送出控制策略研究

随着国内外大容量远距离海上风电的开发,采用基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流送出方式具有更大的经济优势。文中在介绍MMC工作原理和海上风电柔性直流送出拓扑基础上,提出了陆上换流站有源控制、海上换流站无源控制、陆上换流站直流耗能装置协调控制、海上换流站双联接变协调控制及系统启动顺序控制等核心控制策略;通过搭建基于实时数字仿真系统(real time digital simulation system,RTDS)的海上风电柔性直流送出控制保护系统仿真试验平台,分别进行了MMC充电、MMC解锁、海上换流站网侧交流电压升压、海上风电场并网、海上站单联接变故障退出、网侧交流故障穿越及MMC闭锁等项目的仿真试验,充分验证海上风电柔性直流送出系统核心控制策略的正确性,为未来的海上风电柔性直流送出工程应用提供了重要参考。

大规模海上风力发电直流输电新型混合整流阀拓扑及其控制策略

当功率达到吉瓦级时,基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)的海上风力发电输电系统的庞大的体积和巨大的重量极大地增加了海上平台建造难度和成本。为此,提出了一种基于全桥型模块化多电平变流器(full-bridge modular multilevel converter,FB-MMC)和12脉波二极管整流单元(diode rectifier unit,DRU)的直流侧串联、交流侧并联混合整流阀拓扑(series DC parallel AC hybrid rectifier valve,SDCPAC-HV)。该拓扑中,MMC维持海上风电场汇集母线(point of common coupling,PCC)电压,DRU单元在此电压下分担部分输送功率,各并网逆变器采用传统PQ控制模式。首先,探讨了为了维持PCC电压,MMC直流电压占发送阀总电压的比例(即MMC直流电压占比)与MMC调制比之间的关系。然后,分析了MMC无功功率、DRU无功功率和风电场无功功率的平衡问题。同时,给出了正常工况下MMC的控制策略以及直流短路故障和PCC母线短路故障恢复时的控制策略。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建了完整的海上风力发电系统仿真模型,验证了所提拓扑及其控制策略的正确性。

非理想条件下MMC-PET非线性复合控制策略

由于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)电力电子变压器(power electronic transformer,PET)使用传统的控制策略难以保证系统运行时的动态性能,在电网处于不平衡时使得控制难度进一步增加。为了提高系统的动态性能,提出了一种非线性的反馈线性化滑模复合控制策略。该复合控制策略将反馈线性化控制(feedback linearization control,FLC)和滑模控制(sliding mode control,SMC)的优势结合在一起实现优势互补。首先,建立了MMC-PET整体仿真模型;其次,通过数学模型建立反馈线性化滑模控制的控制模型;最后,利用仿真与实验平台进行仿真对比实验,将所提复合控制策略与单一的反馈线性化控制、滑模控制以及常用的PI控制作了仿真对比,以验证所提控制策略可以在外部扰动时具有良好的动态性能和较好的鲁棒性等优势。

跟网型MMC-HVDC并网暂态同步稳定机理分析

随着电力系统中新能源接入比例不断提高,采用跟网控制的模块化多电平换流器型柔性直流输电(Modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)在输电系统中占据越来越重要的地位,其并网暂态同步稳定性会影响电力系统的安全运行。研究跟网型MMC-HVDC系统的暂态同步稳定机理,首先建立了以锁相环为同步单元的换流器的并网动力学模型,随后基于此模型,研究了电网强度、换流器的故障穿越策略以及锁相环参数对其暂态稳定性的影响。当电网强度较高、换流器故障期间注入无功电流分量增大时,换流器的并网暂态稳定性较强,减小锁相环的比例和积分增益有利于暂态稳定性。根据暂态稳定机理,提出了与阻抗角匹配的故障期间注入电流策略,以提升换流器的暂态同步稳定性。在时域仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了电磁暂态仿真模型并验证了本文结论和所提暂态稳定增强策略的有效性。

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。

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。