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。

电-氢微网群功率协调与谐波补偿控制策略

针对“双碳”目标下高比例可再生能源高效消纳难题,将水电解制氢作为弹性负荷接入微电网群,建立电-氢微电网群,提出一种功率协调控制和电能质量提升策略。首先分析交直流子网功率耦合机制,基于互联变换器建立考虑子网优先级的双向功率控制方法,将弹性负荷接入低优先级子网,提出基于实时子网偏差系数计算的分层功率协调控制策略;然后针对由水电解制氢整流器引入的谐波问题,提出基于实时负荷阻抗估计和下垂控制的多台互联变换器协同提升电能质量的控制技术;最后,通过Matlab/Simulink软件平台,搭建环形连接微电网群,仿真实验结果表明所提策略动态响应快,验证了功率协调和谐波补偿控制策略的有效性。

基于混合储能的交直流混联微电网功率分级协调控制策略

针对交直流混联微电网孤岛运行时,仅靠互联变流器协调网间功率无法有效缓解系统频率与电压波动,且单一蓄电池储能难以适用多场景功率需求的问题,提出利用超级电容和蓄电池混合储能的交直流混联微电网功率协调控制策略。将混合储能作为储能子网连接在直流母线上,优先采用超级电容平抑交直流子网内功率波动,提出以储能荷电状态来划分五种工作模式的改进混合储能控制策略。兼顾超级电容快速响应特性和减少互联变流器的频繁起动,根据直流子网电压和交流子网频率波动程度,提出功率自治和功率互济工况的两级分层协调控制策略。通过设计混合储能处于不同工作模式的网间功率互济场景,仿真证明了所提混合储能和互联变流器协调控制策略能够平抑各子网负荷功率波动。

Optimized and coordinated model predictive control scheme for DFIGs with DC-based converter system

This paper proposes an optimized and coordinated model predictive control(MPC) scheme for doublyfed induction generators(DFIGs) with DC-based converter system to improve the efficiency and dynamic performance in DC grids. In this configuration, the stator and rotor of the DFIG are connected to the DC bus via voltage source converters, namely, a rotor side converter(RSC) and a stator side converter(SSC). Optimized trajectories for rotorflux and stator current are proposed to minimize Joule losses of the DFIG, which is particularly advantageous at low and moderate torque. The coordinated MPC scheme is applied to overcome the weaknesses of the field-oriented control technique in the rotor flux-oriented frame, which makes the rotor flux stable and the stator current track its reference closely and quickly. Lastly, simulations and experiments are carried out to validate the feasibility of the control scheme and to analyze the steady-state and dynamic performance of the DFIG.

静止坐标系下无电网电压传感器虚拟同步机控制策略

针对采用虚拟磁链算法的无电网电压传感器存在的直流偏移等问题,提出基于一阶低通滤波器和高通滤波器串联结构的改进磁链观测器,利用改进的磁链观测器得出虚拟磁链,提高了观测的精度。在得到虚拟磁链的基础上,针对不同电网频率运行条件,利用锁相环思想提出电网角频率的计算结构,并由虚拟出的磁链与电压的关系来重构电网电压。此外,将所提无电网电压传感器策略应用于网侧变流器系统中,在两相静止坐标系下设计虚拟同步控制结构,相比于旋转坐标系,可省去控制内环的解耦环节,同时还能简化坐标变换环节,避免了因坐标变换中角度不准而引入的不稳定因素。最后,通过仿真与实验验证所提控制策略与磁链观测器的有效性与可靠性。

光储直流微电网系统协调控制策略研究

为了更好地控制、管理和使用随机性较大的分布式可再生能源和需求波动较大的负载,文章对光储直流微电网系统内不同的变换器提出不同控制策略,通过不同控制策略控制变换器协调运行来保证系统的稳定运行,同时利用基于超级电容和蓄电池的互补特性设计了级联的拓扑结构组成混合储能系统,使系统稳定性进一步提高;并将系统分为多个运行模式,在所提控制策略下系统在多个模式间实现平滑稳定切换。最后对运行中出现的分布式光伏电源输出波动和负载变化情况在MATLAB/Simulink进行了仿真实验。结果表明,所提策略能有效抑制系统直流母线电压波动和优化混合储能的运行,提高了系统的可靠性和稳定性,验证了控制策略的有效性和可行性。

多变流器互联交直流微网集群一致性功率协同控制

为增强多变流器互联交直流微网集群系统运行稳定性、可靠性及控制灵活性,本文提出一种一致性功率协同控制策略。控制系统包含互联变流器(DC-DC、DC-AC)柔性控制和交、直流微电网下垂控制等。互联DC-AC和DC-DC均采用双环控制,外环将一致性耦合控制和功率分配环节相结合,内环分别采用虚拟同步控制和移相控制。本文所提控制方法,系统仅基于就地量测频率或直流电压等信息,可同时实现子系统间功率协同互济、多互联变流器功率分配及多运行模式自适应平滑切换等目标。最后通过PSCAD/EMTDC仿真模型对所提方法的有效性进行了验证。

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。

网压不对称下MMC多目标控制参数优化选择研究

为解决多目标保护控制中调节参数难以确定的问题,引入有功功率波动和交流电流波动的权重因子,构建线性加权表达式;为获取最优权重因子,深入分析MMC(模块化多电平换流器)系统安全运行条件对权重选取的限制,建立权重优化选取模型。在此基础上提出一种MMC多目标协调控制策略,以抑制有功功率波动与协调交流电流不平衡度为目标,考虑系统最大允许电流、桥臂电容电压允许最大波动,不需要为了抑制过流、桥臂电压过压而额外增加控制环节。仿真实验表明了所提策略的可行性与有效性。

不平衡电网下双dq坐标变换的M3C微分平坦控制策略

针对目前模块化多电平矩阵变换器(M3C)研究中常用的双αβ坐标变换解耦不彻底、传统PID控制方法效果差、不平衡工况研究少等问题,在分析拓扑结构和数学模型的基础上,采用双dq坐标变换对电气量进行解耦,建立了M3C的输入输出侧数学模型,分别对电压、电流进行正负序分离,并结合微分平坦理论,推导了输入侧、输出侧的微分平坦控制(DFC),最后模拟了两种不平衡工况下的运行情况。仿真结果表明,与线性PID控制相比,非线性的微分平坦控制提高了内环电流的跟踪速度和精度,更适用于非线性的M3C系统。在电网平衡或电网出现不对称故障时,微分平坦控制下M3C系统的动态稳定性与快速性更好,电能质量更高,电流谐波含量最多可以降低1.42%,能够更有效地抑制负序电流。

新型混合储能运行模式分析与源荷储协调控制

储能是独立式光伏发电系统中的重要组成部分,可保证供电的稳定性和持续性,在提高电能质量方面起着重要作用。此处研究了一种混合储能系统(HESS)的新型拓扑结构和控制策略,该新型拓扑结构的优点在于对分布式系统中的双向直流-直流变换器额定功率要求低于传统系统。在运行模式切换时,控制系统可有效应对负载突变,确保蓄电池组和双向直流-直流变换器均工作于规定电压范围。此处建立了储能系统的数学模型和4种运行模式的控制模型,并对控制策略进行仿真和实验分析。仿真和实验结果表明新拓扑和控制策略可行,且HESS的性能不受双向直流-直流变换器的功率限制。

基于调速器-变频器协调控制的变速抽蓄机组一次调频研究

变速抽蓄机组可为保障高比例新能源电网频率安全稳定提供重要支撑,是抽水蓄能技术发展的重要方向。因此,开展了基于调速器-变频器协调控制的变速抽蓄机组一次调频研究,首先建立变速抽蓄机组仿真模型,然后分析基于协调控制的变速抽蓄机组一次调频特性,最后揭示基于协调控制的变速-定速抽蓄机组一次调频特性。结果表明,变速抽蓄机组调速器-变频器协调控制模式2下一次调频有功功率的响应速度明显快于控制模式1,调速器对一次调频导叶开度和转速振荡的抑制优于变频器、变频器对一次调频有功功率的调节速度明显快于调速器。变速抽蓄机组采用调速器-变频器协调控制模式1时的一次调频有功功率响应速度略慢于定速抽蓄机组、采用控制模式2时的一次调频有功功率响应速度明显快于定速抽蓄机组。

全功率变速抽水蓄能机组控制策略与调节特性

全功率变速抽水蓄能机组协调控制中通常采用变流器控制机组功率、调速器控制机组频率(转速)的快速功率控制,其忽视了对机组频率安全与效率的影响,且控制模式单一。分析了机组多控制模式振荡特性和功频响应特性,提出了机组发电工况快速频率控制与快速功率控制相结合的协调控制策略,以及水泵工况定导叶开度变转速控制策略。设计了常规试验与性能优化试验结合的变速工况调试方法并应用于我国第一台全功率变速抽水蓄能机组启动调试中,验证了控制策略和调试方法的有效性。现场测试结果表明,调速器和变流器控制不协调易引发机组振荡,采取所提协调策略后机组安全高效运行,且具备百毫秒级的有功、无功快速调节能力。

基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置及其协调控制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)高压直流输电技术(high voltage direct current,HVDC)受端交流系统故障引起的直流过电压问题,文中提出一种基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置拓扑及协调控制方法。该直流泄能拓扑包括模块化分布式泄能部分、限流电抗器和集中式泄能电阻3部分,对子模块工作模式进行设计,提出可避免直流泄能装置反复投切的弹性调节泄能的协调控制策略,推导直流泄能装置功率控制及其内部电气耦合关系,给出泄能装置元件参数的设计方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建MMC-HVDC及所提出的直流泄能装置模型,研究单相和三相接地故障下直流泄能装置的特性及直流过电压抑制效果。结果表明,所提直流泄能装置在协调控制策略下能够分阶段弹性调节泄能功率,有效抑制直流过电压,并有利于故障后的快速恢复。

调相机交流母线电压无功双闭环控制策略及母线电容协调控制研究

针对高压换流站调相机无功补偿过程中出现的功率超调与交流母线电压大幅波动,考虑无功功率扰动的影响,提出一种交流母线电压外环、调相机无功内环的双闭环调相机先进控制方法,该控制方法在保证调相机快速响应交流母线电压波动的同时能够有效抑制无功功率超调。为了进一步抑制无功功率波动导致的高压换流站交流母线电压的大幅波动,通过电容串接吸收电阻的方式,设计一种调相机与交流母线电容无功补偿协调控制策略,提升高压换流站的稳态与动态性能。通过PSCAD软件验证了所提控制方法的正确性与有效性。

面向新能源接入的电能路由器模式切换协调控制策略

电能路由器(electrical energy router,EER)可实现新能源、储能及多种电能负载的灵活接入,协调控制和运行模式切换是其运行控制的重点。为实现EER运行模式的平稳过渡,降低EER运行模式切换时母线稳压单元控制模式改变导致的切换冲击,首先分析并网和孤岛两种运行模式切换时的电压扰动机理,研究系统内功率突变以及母线稳压单元控制器的调节过程对系统的影响。然后设计EER模式切换时序,提出一种基于移相比保持器、电流保持器的控制器输出量提前补偿的模式切换协调控制策略,能够实现端口功率的实时平衡,降低模式切换暂态过程中的电压扰动,提升系统的暂态稳定性。最后,通过Matlab/Simulink仿真软件搭建EER仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。

蜂巢状有源配电网中多端口能量枢纽控制策略

作为一种适应高比例分布式新能源接入的新型配电网架构,蜂巢状有源配电网利用多端口能量枢纽(multi-port energy hub,MEH)可实现多微电网/配网单元间功率的互联互济,如MEH中包含储能设备,可以进一步提升新能源利用率和电网可靠性。文中提出一种含储能的MEH及其分层协调控制策略。上层控制根据储能系统的荷电状态和配电网运行状态协调控制储能变流器与各并网端口变流器之间的功率分配,使得MEH在平抑新能源波动、配网故障恢复等运行模式下均能够对内部储能系统进行能量管理。下层控制通过将储能变流器有功功率的微分值反馈至储能系统控制环路进行补偿,提高储能变流器输入/输出有功功率响应速度。文中设计了MEH控制系统关键参数,利用MATLAB/Simulink对MEH在配电系统中的应用进行仿真。不同工况下的仿真对比验证了所提分层协调控制策略的有效性,证明该策略能够延长储能系统工作时间,提高储能系统有功功率变化率,减小直流母线的电压波动。

计及保护动作时间协调配合的双馈风电场故障穿越策略

风电场并网系统在故障清除后产生的暂态过电压使得风电机组脱网的事故频发。其主要原因在于双馈风力发电机(DFIG)及无功补偿装置在故障清除后的无功补偿退出过程中存在响应延时。为此,基于DFIG转子侧换流器、网侧换流器及无功补偿装置的无功补偿极限分析,明确了上述不同设备间的无功补偿分配策略。接着,分析了不同设备在无功补偿期间的动态响应速度,据此提出了计及主后备保护动作时间的无功参考曲线优化设计方法。与现有无功补偿策略相比,该方法能够在保证故障穿越能力的前提下,大幅减小故障恢复期间并网点的暂态过电压。最后,基于实时数字仿真系统搭建仿真模型,通过大量仿真算例充分验证了所提方法的可行性与优越性。

超低能耗公共建筑能源系统协调控制系统设计

能源协调控制系统是对能源进行合理分配和利用的系统。针对公共建筑易受到耗能功率较大的装置的影响,导致供暖和制冷耗能大,无法达到节能效果的问题,文中设计一种超低能耗公共建筑能源系统协调控制系统。首先,在d-q旋转坐标系下,利用交-直变换器对外环与内环进行解耦;利用PI控制器将各种电子信号转换成数字信号,并将所收到的资料以IP形式传送至以太网。其次,通过预先自动设定的系统协调控制策略对系统配置进行自动设定,并对其进行控制和管理,计算建筑结构散热、耗能设备输出功率,依据计算结果构建总负载目标函数;再采用点与点之间的交互协议使目标函数达到最优。最后,对错误调节信号进行预处理,计算信号期望值,获取有效控制结果。通过实验验证得出,所设计系统的供暖能量节约20 J,制冷能耗节约2 J,能够达到有效控制能耗的目的。

含跟网型VSC的交流系统暂态稳定解析模型及协调控制

电压源换流器(VSC)型高压直流输电系统接入,可能引起交流系统暂态稳定特性发生变化.因此,针对含跟网型VSC的交流系统开展暂态稳定解析分析.建立了故障前、故障期间和故障后系统的暂态稳定解析模型,并提出了一种基于离散积分的系统故障临界清除时间解析计算方法.基于解析模型,分析了故障期间VSC注入电流相位和幅值、故障位置对交流系统暂态稳定的影响.提出了一种增强交流系统暂态稳定性的协调控制策略,其利用广域测量系统获取临界同步机群的转子角频率,实现VSC的有功、无功电流动态调制.基于PSCAD/EMTDC搭建的多机系统电磁暂态仿真模型,验证了理论分析的正确性、所提控制策略的有效性和鲁棒性.