An Operational Test Method for VSC-HVDC Valves Based on Modular Multi-level Converters

为给基于模块化多电平换流器（modular multi-levelconverter,MMC）的电压源换流器高压直流输电（voltagesourced converter HVDC,VSC-HVDC）换流阀提供有效的检验手段,以验证其设计的正确性及其运行可靠性,对换流阀的运行特性和关键应力进行分析,提出基于原理等效的MMC阀运行试验方法,设计试验电路并阐明其运行机理。搭建的PSCAD电磁暂态仿真模型和实际的试验验证证明了试验方法的正确性和有效性。

Grid-connected Multilevel Topology for HVDC Offshore Wind Farm Based on MFT

This paper presents a new topology to connect high voltage direct current(HVDC) offshore wind farm into the grid.The offshore part consists of five units,each unit contains permanent magnet synchronous generator(PMSG) connected to three-phase/three-phase matrix converter to control the generator speed by using a maximum power point tracking(MPPT) control.The offshore platform consists of a three-phase medium frequency transformer(MFT) and a modular multi-level converter(MMC).The primary of each phase of the transformer connected to one phase from each unit.The secondary of the transformer connected to MMC to get HVDC.The HVDC cable will be used to transfer power from the offshore side to the on-shore side.Five-level MMC is used in the onshore side to control the DC voltage and to connect the offshore wind farm into the grid by converting the HVDC to high voltage alternative current(HVAC).

A Qualitative Assessment of a Modified Multilevel Converter Topology M2LeC for Lightweight Low-Cost Electric Propulsion

A Cascade H Bridge (CHB) is evaluated for both electric vehicle motor traction control and off-vehicle charging against the Power ElectronicsUK Automotive Challenge for cost and mass for the year 2035. By combining the power electronics with batteries using low-voltage MOSFET transistors in a series cascade arrangement the cost and mass targets could be met 12 years earlier (in 2023 and 20 times lighter if an application specific integrated circuit (ASIC) is used. A 200 kW peak reference car was used to evaluate cost and mass benefits using four different topologies of power electronics. Vehicle installation is shown to be simplified as only passive cooling is required removing the need for liquid cooling systems and the arrangement is inherently safe;no high voltages are present when the vehicle is stationary. The inherently higher efficiency of CHB increases vehicle range. The converter with integrated batteries can also behave as an integrated on-board battery charger delivering additional off-vehicle benefits by removing the need for costly external chargers.

模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电架构研究

随着大容量中压直流配电技术的迅速发展,模块化多电平直流变换器受到工业界和学术界的广泛关注。然而,实现高可靠的辅助供电是实现直流变换器在中压直流配电场景中应用的关键技术瓶颈之一。为此,提出一种面向模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电系统架构。该架构实现主控制器、子模块等辅电系统的中压直联馈电,从而无需额外低压直流电源,并且大幅提升系统启动速度。基于此架构设计,模块化多电平直流变换器的子模块控制器和旁路开关辅助供电均实现3倍冗余,提高系统容错运行的能力。在子模块电容预充电阶段,提出一种基于辅助电源自主控制的子模块电容均压方法,保证模块化多电平直流变换器可靠预充电。最终通过实验验证所提辅助供电系统架构的可行性。

含主动限流控制的MMC-HVDC电网直流短路故障电流解析计算

传统的MMC-HVDC电网直流短路故障电流计算一般采用等效RLC电路方法。但是该方法没有考虑主动限流控制(ACLC)对等效电路RLC参数的影响,因此无法直接用于含ACLC的MMC-HVDC电网的直流短路故障电流的解析计算问题。该文通过将ACLC的控制效果等效为虚拟阻抗产生的压降,建立了体现ACLC的控制影响的等效RLC电路,以包含电流变化率限流环节的典型ACLC算法为例,推导了直流双极短路故障条件下ACLC的控制参数与虚拟阻抗的映射关系以及相应的直流故障电流解析表达式。最后,以基于含ACLC的半桥型四端MMC-HVDC电网为例,建立PSCAD/EMTDC仿真模型,对采用ACLC的直流双极短路故障电流解析计算结果进行了验证。结果表明:故障后10ms内直流短路故障电流的PSCAD仿真结果与所提出的含ACLC的等效RLC电路解析计算结果的平均误差在8.29%以内,最大误差在10.99%。因此,使用所提出的方法具有工程实用性。

“综合+探究”式、模块化分析化学实验教学——“一生一方案”,因材施教实验教学法

围绕以学生发展为中心的创新人才培养目标,我们在多年持续教改和探索基础上,提出了“综合+探究”式、模块化分析化学实验教学。要求学生在完成既定的综合实验基础上,针对实验过程中发现的问题,自主设计探究方案,进行个性化实验探究;同时,将研究生组会研讨模式融入到本科生实验教学中,增设方案答辩环节,实现“一生一方案”的教学。该教学方法实施以来,成效显著,不仅激发了学生学习兴趣和实验潜能,锻炼了实验思维和知识运用能力等综合实践能力,而且开启了对求异思辨、创新能力的培养,教学模式得到普遍欢迎和首肯。

异构型换流器的多任务剖面可靠性分析方法

现有关于模块化多电平换流器(MMC)可靠性分析的研究大多针对子模块结构独立的换流器,对于多种低成本、多模态的异构拓扑,尚缺乏有效的可靠性分析方法,因此针对异构型换流器的可靠性分析对扩展其应用边界有重要的意义。总结了异构型MMC的特征,以桥臂嵌套型MMC为例,提出了一种考虑桥臂切换导致的多任务剖面与工作故障延续性且适用于异构型MMC的可靠性建模方法。通过分析换流器的不同运行状态,建立了马尔可夫模型,并分析了其冗余配置方案。基于仿真算例计算了桥臂嵌套型MMC的可靠性,分析了子模块冗余配置对其可靠性的影响,并与传统模型进行对比,验证了所提方法可为多开关状态的异构型MMC的可靠性分析及冗余配置提供策略参考。

构网型、跟网型非同步机电源并网系统暂态同步稳定性分析

研究构网型、跟网型非同步机电源并网系统的暂态同步稳定性,并在实际电网场景下进行仿真验证。首先,根据构网型、跟网型非同步机电源的控制策略,分析影响其暂态同步稳定性的关键因素。随后,在PSCAD/EMTDC中搭建实际电网场景500 kV等值交流系统的时域仿真模型。基于此模型,研究非同步机电源接入实际电网系统的暂态失稳故障表现特征,并验证暂态同步稳定性影响因素的正确性。

模块化多电平电池储能系统功率控制与均衡策略研究

大量可再生能源接入电网会影响电网的稳定性和电能质量。电池储能系统作为可再生能源与电网间传递电能的接口,具有平抑功率波动、调频调压、提高电网运行稳定性的作用。基于模块化多电平变流器(modular multi-level converter,MMC)的电池储能系统(battery energy storage system,BESS)有利于削弱电池不一致性所引起的短板效应,通过功率控制实现电池模块间的均衡。该文分析了MMCBESS的拓扑结构;针对MMC-BESS的直流侧、交流侧建立数学模型,通过控制能量的流动,提出一种对直流侧和交流侧的功率控制策略,以解决相间SOC均衡、桥臂SOC均衡、子模块间SOC均衡的问题,避免电池过充、过放,提高电池利用率;通过仿真模型验证了所提控制策略的有效性。

MMC低开关频率的自适应降损控制策略

针对半桥型模块化多电平换流器(MMC),本文提出了一种低开关频率的自适应降损策略,解决了最近电平逼近调制(NLM)策略和基于排序算法的电容均压控制策略导致的换流阀功率器件开关损耗较高的问题。首先,分析了MMC内部悬浮电容均压效果与其开关频率间的制约关系,明确实际工程应用对子模块电容电压均衡性的要求,为后续低开关频率的自适应降损控制策略提供理论依据。其次,基于所设置子模块电容电压动态限值、流经子模块的电流方向以及子模块工作状态,确定每个周期内子模块投入优先级,从而减少非必要的子模块附加投切动作,降低子模块开关频率。然后,利用线性插值方法,实现不同系统传输功率下子模块电容电压动态限值的自适应调整,进一步降低子模块开关频率。最后,基于在Matlab搭建的MMC仿真模型,验证了本文所提方法。

用于新能源送出的M3C工频电网故障穿越方法研究

模块化多电平矩阵式变换器(M3C)是一种可实现不同频率电能直接交-交变换的新型拓扑,适用于高压大容量场合。在分频输电系统中,为实现M3C工频故障可靠穿越,提出完整的故障穿越流程。首先对工频侧和分频侧电压不对称时M3C在双α-β坐标系下的桥臂功率状态方程进行推导,然后提出根据各子模块电压平均值在分频侧投入卸荷电阻的策略来消耗低频侧的过剩功率,并根据电网电压正序分量的跌落程度和负序分量输出对应的正序和负序无功电流。此外,当电网电压正序分量过低时,将对角均压从工频侧切换至分频侧,在故障穿越过程中保证各桥臂子模块电压之间的均衡。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上,对3.3 kV/3.3 kV/3 MV·A M3C工程样机工频故障穿越方法的有效性进行了验证。

基于改进子模块的MMC-HVDC直流侧故障隔离研究

架空线路场合下的高压直流输电系统(HVDC)故障率较高。当前,混合式直流断路器存在容量小、成本高等问题,使得具备故障自清除能力的子模块成为解决系统直流侧故障的最佳解决方案,但上述方案使用了更多电力电子器件,带来了损耗增大,投资成本增加等问题。为此提出一种新型混合方式的模块化多电平换流器(MMC)子模块拓扑结构,在不影响自清除故障能力的前提下减少了所需电力电子器件,提高其经济性和直流侧故障隔离性能。首先给出了将新型子模块与传统半桥子模块在桥臂中合理搭配的设计方案;其次,探究了改进型拓扑结构极对极短路故障穿越机理及子模块构建的经济性性优化方法。最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了双端MMC-HVDC模型,对提出的子模块性能及其混合型MMC性能进行仿真验证。结果表明,提出的改进子模块及相应的混合型MMC可快速阻断故障电流,具备良好直流故障隔离能力,且具有更好的经济性,在实际工程中上具有良好的应用前景。

基于红外测温的模块化多电平换流器故障自动化诊断技术

模块化下多电平换流器各个模块之间持续不间断运行,容易产生过热故障,以人工为主的过热故障检测存在明显弊端。以红外测温为技术支持,提出一种针对该故障的自动化诊断方法。通过对模块化的多电平换流器故障与温度之间的关联进行分析;使用红外热像仪按周期采集温度图像,通过分析图像中的温度异常和变化模式,结合红外测温算法与关联性分析结果,不同类型的过热故障通常会导致热点或温度异常现象的出现,对这些异常现象进行观察和分析,可以准确判断是否存在故障,并进一步确定故障的具体类型。经实例检验,该项技术能够准确诊断出换流器常见故障类型,检出指数与隔离指数高达0.971和0.953,且诊断用时短,仅需77.94 ms,具有优异的诊断准确度和高水平的诊断效率。

分频输电系统运行特性与控制策略综述

在中国“碳达峰、碳中和”目标的驱动下,电力系统向着低碳清洁、高效智能的方向发展。当大规模可再生能源接入电力系统后,现有电力网络出现了传输能力不足的问题。分频输电系统采用较低频率输送电能,相比同电压等级的工频系统,其线路输送能力得到大幅度提升,目前已经在包含中远距离海上风电,“沙戈荒”偏远地区陆上风电、光伏发电和大规模水电输送等在内的可再生能源高效汇集送出领域受到广泛关注。为此,首先介绍了分频输电的基本原理并概述了核心变频设备的运行特性。在高比例可再生能源接入与高比例电力电子设备应用的“双高”背景下,进一步从系统稳态运行和故障穿越两个方面,综合阐述了“点对点”双端和多端互联分频输电系统的运行特性以及控制策略的典型设计方法。最后,就分频输电系统运行控制研究中需要进一步结合的输电频率经济性优选,小/大干扰系统稳定性分析和城市电网扩容改造等问题进行了展望。

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。

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。

基于反馈精确线性化解耦的FMSS改进滑模控制策略

柔性多状态开关(flexible multi-state switch,FMSS)存在非线性和强耦合的特点,传统的比例积分(proportional integral,PI)控制难以实现输出功率的完全解耦,且存在PI参数调节困难、系统动态响应速度慢及鲁棒性差等问题。文中首先利用反馈精确线性化将FMSS由高阶非线性系统转化为2个完全独立的一阶线性系统,实现了有功和无功电流的完全解耦;然后针对传统滑模控制(sliding mode control,SMC)趋近速度慢、系统收敛性能差以及运动抖振大等问题,设计了一种基于自适应趋近率的改进SMC算法,对电压外环和电流内环进行优化,并通过Lyapunov函数研究了所提算法的稳定性;最后在Simulink软件中,对三端口FMSS在输出功率扰动、交流电压暂降及系统参数摄动等工况下进行仿真分析,结果表明所提控制策略增强了系统的鲁棒性和抗干扰能力,可有效提升系统的动态响应速度。

计及系统过电压的直流配电网接地方式选择与绝缘配置

过电压特性与系统接地方式密切相关,对关键设备选取、设计具有重要意义,但目前在直流配电网中结合过电压分析进行接地方式选择的研究仍不完善。文中首先基于模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)型±10 kV双端直流配电网分析过电压产生机理,并通过PSCAD/EMTDC平台的故障仿真,对比3种典型接地方式下系统关键位置的过电压峰值。然后,提出综合故障恢复能力、经济性、电压稳定性、过电压峰值作为指标进行接地方式的选择,评估得出交流侧变压器中性点经电阻接地、直流侧不接地为所研究系统的优选接地方式。最后,基于荷电率计算设计方法确定相应的避雷器参数与配置方案,并通过仿真进行了有效性验证。研究结论为直流配电网接地方式选择与绝缘配置提供了参考。

基于电容电压波动补偿的混合型模块化多电平变换器

为了降低模块化多电平变换器的电容体积,文中提出一种基于电容电压波动补偿混合子模块的模块化多电平变换器。首先,介绍所提混合型模块化多电平变换器的系统结构与减小电容体积的机理,同时对混合子模块的投切原则进行详细分析;然后,通过分析混合子模块内部不同电容的能量波动,给出所有电容的容值设计方法,并与传统的半桥型模块化多电平变换器进行对比;最后,通过仿真与实验验证了所提方案的有效性。结果表明,文中提出的混合型模块化多电平变换器能够以较低的开关器件成本,大幅度提高电容能量利用率,降低模块化多电平变换器子模块电容的体积,实现系统功率密度的提高。

基于模组解耦控制的高调制比混合型MMC电容优化方法

高调制比混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)子模块电容的均压控制方法借鉴半桥型MMC,全桥及半桥子模块电容的充放电行为存在强耦合,导致半桥子模块电容电压波动率较小,给电容值的优化带来挑战。为此,文中首先计算高调制比下两类子模块的电容电压波动率,以明确半桥子模块电容值的优化空间。进一步,提出全桥及半桥模组平均开关函数的设计原则,考虑子模块电容电压瞬时最大值的约束,实现半桥子模块电容值的优化。然后,在现有MMC基本控制框架下,提出基于模组解耦的控制策略,实现电容电压动态的准确控制。最后,在MATLAB/Simulink中搭建混合型MMC的仿真模型,对所提电容优化方法进行验证。仿真结果表明:所提电容优化方法不仅可以实现对全桥及半桥子模块电容电压直流分量和纹波分量的控制,还可降低半桥子模块电容值。