Model Predictive Control Strategy of Multi-Port Interline DC Power Flow Controller

There are issues with flexible DC transmission system such as a lack of control freedom over power flow.In order to tackle these issues,a DC power flow controller(DCPFC)is incorporated into a multi-terminal,flexible DC power grid.In recent years,a multi-port DC power flow controller based on a modular multi-level converter has become a focal point of research due to its simple structure and robust scalability.This work proposes a model predictive control(MPC)strategy for multi-port interline DC power flow controllers in order to improve their steady-state dynamic performance.Initially,the mathematical model of a multi-terminal DC power grid with a multi-port interline DC power flow controller is developed,and the relationship between each regulated variable and control variable is determined;The power flow controller is then discretized,and the cost function and weight factor are built with numerous control objectives.Sub module sorting method and nearest level approximation modulation regulate the power flow controller;Lastly,theMATLAB/Simulink simulation platformis used to verify the correctness of the establishedmathematicalmodel and the control performance of the suggestedMPC strategy.Finally,it is demonstrated that the control strategy possesses the benefits of robust dynamic performance,multiobjective control,and a simple structure.

A Novel Location Method for Interline Power Flow Controllers Based on Entropy Theory

As one of the new generation flexible AC transmission systems(FACTS)devices,the interline power flow controller(IPFC)has the significant advantage of simultaneously regulating the power flow of multiple lines.Nevertheless,how to choose the appropriate location for the IPFC converters has not been discussed thoroughly.To solve this problem,this paper proposes a novel location method for IPFC using entropy theory.To clarify IPFC’s impact on system power flow,its operation mechanism and control strategies of different types of serial converters are discussed.Subsequently,to clarify the system power flow characteristic suitable for device location analysis,the entropy concept is introduced.In this process,the power flow distribution entropy index is used as an optimization index.Using this index as a foundation,the power flow transfer entropy index is also generated and proposed for the IPFC location determination study.Finally,electromechanical electromagnetic hybrid simulations based on ADPSS are implemented for validation.These are tested in a practical power grid with over 800 nodes.A modular multilevel converter(MMC)-based IPFC electromagnetic model is also established for precise verification.The results show that the proposed method can quickly and efficiently complete optimized IPFC location and support IPFC to determine an optimal adjustment in the N-1 fault cases.

考虑可再生能源接入的多端MMC交直流混合系统协调控制

模块化多电平变换器的零转动惯量特性,使其无法对交流电网的频率波动提供支撑,导致交直流混合系统的整体惯性下降,影响并网系统的动态性能与稳定性。文章将改进功率-电压下垂控制与虚拟同步机技术相结合,提出一种新型功率协调控制策略。在系统直流电压稳定的情况下,对交流电网进行频率调节,同时对各变换器间的功率进行合理分配,无需通讯系统即可建立有效的能量管理体系。与传统双闭环控制进行对比试验,结果表明,所提控制策略有效解决了系统由低惯量、欠阻尼引起的动态性能与稳定性的问题。

基于比例重复控制的MMC-SST子模块电容纹波电压抑制策略

基于模块化多电平变换器的固态变压器(modular multilevel converter based solid state transformer,MMC-SST)是实现交直流混合配电网柔性互联及能量多向流动的关键装备。针对固态变压器输入级MMC子模块电容纹波电压过大,导致装置的体积和成本增加的问题,提出一种基于比例重复控制的MMC-SST改进纹波电压抑制策略。首先利用基于比例重复控制的电容电压闭环得到调整后的功率移相角。然后,通过双有源桥变换器将子模块电容纹波功率传递到低压直流母线,从而有效抑制MMC子模块的各频次纹波电压,达到减小电容值的目的。最后,仿真结果表明在网侧电压对称或不对称工况下,基于比例重复控制的MMC-SST子模块电容纹波电压抑制策略均具有良好的纹波电压抑制能力。

具备黑启动和构网能力的远海风电经DRU-MMC送出方案

由于具有成本低、体积重量小和可靠性高等特点,送端采用二极管整流器(DRU)、受端采用模块化多电平换流器(MMC)的送出方案在远海风电送出领域备受关注。鉴于DRU不能构建交流电网且无法倒送有功功率,文中提出一种具备黑启动和构网能力的远海风电经DRU-MMC送出方案。所提方案在DRU-MMC送出技术的基础上增加了常规小容量电压源型辅助换流器、耗能单元和必要的快速开关,通过直流海缆复用和快速开关倒闸重构拓扑,分别构建黑启动电源低压回路和风电传输高压回路,实现黑启动和功率传输2种工况在线切换;提出辅助换流器在不同运行阶段的构网控制策略,解决海上交流电网构建、DRU无功补偿和谐波抑制等问题,消除DRU-MMC送出方案对风电场类型的限制。最后,通过经济性分析和算例仿真,验证了所提方案的优越性和有效性。

Harmonic influence analysis of unified power flow controller based on modular multilevel converter

The unified power flow controller(UPFC)based on modular multilevel converter(MMC) is the most creative flexible ac transmission system(FACTS) device. In theory, the output voltage of the series MMC in MMCUPFC can be regulated from 0 to the rated value. However,there would be relatively large harmonics in the output voltage if the voltage modulation ratio is small. In order to analyze the influence of MMC-UPFC on the harmonics of the power grid, the theoretical calculation method and spectra of the output voltage harmonics of MMC are presented. Subsequently, the calculation formulas of the harmonics in the power grid with UPFC are proposed. Based on it, the influence of UPFC on the grid voltage harmonics is evaluated, when MMC-UPFC is operated with different submodular numbers and voltage modular ratios. Eventually, the proposed analysis method is validated using digital simulation. The study results would provide guideline for the design and operation of MMC-UPFC project.

A modular multilevel power flow controller for meshed HVDC grids

Based on the comparison of existing power flow controllers(PFC)in meshed HVDC grids,the full-bridge modular multilevel converter based PFC(MMPFC)is proposed.At first,the general branch current calculation method of meshed HVDC grids with the PFC is presented,and then,the issue of over-voltage on the thyristor based PFC is described and analyzed.Through the analysis of different operating modes of the full-bridge sub-module,the mechanism of over-voltage ride through of the MMPFC is indicated.The control strategy of the MMPFC,which is used to control branch current and keep capacitor voltage balancing,is elaborated.Finally,the performance on current regulation,bidirectional operation and over-voltage ride through is simulated and verified in a built model with PSCAD/EMTDC.

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。

不平衡电网下MMC-UPFC的反演-滑模控制策略

针对模块化多电平变流器(MMC)-统一潮流控制器(UPFC)采用的控制方法存在的问题,本文提出了一种基于MMC-UPFC的反演控制(BSC)与滑模控制(SMC)组合而成的反演-滑模控制(BSC-SMC)非线性控制策略,这种控制策略既保留了SMC的抗干扰能力强等性能,也兼具BSC响应速度快等优点。首先,根据MMC-UPFC的拓扑结构,建立并联侧MMC变换器、串联侧MMC变换器的数学模型;其次,在不平衡条件下进行了正、负序分解,并设计了MMC-UPFC在不平衡条件下BSC-SMC控制器,并证明了控制系统的稳定性;最后,在MATLAB/Simulink软件平台搭建MMC-UPFC仿真模型进行仿真验证,通过把本文所提BSC-SMC控制策略与PID控制策略在接收端电源电压单相跌落、串联侧注入电压两种不同工况下进行了仿真比较,验证了BSC-SMC控制策略除具有SMC控制策略的抗扰性强特点外,还同时具有BSC控制策略的响应速度快和超调量小特点,且本文控制系统的稳定性更强、鲁棒性更好,从而验证了本文所提BSC-SMC控制策略的有效性和优越性。

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。

子模块故障下基于变执行频率的MMC功率损耗优化控制

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因其高度模块化和低谐波失真而逐渐成为最适合大功率应用的拓扑之一。当子模块(submodule,SM)发生故障时,故障桥臂中SM电容电压和开关频率将升高,这会导致MMC故障桥臂的功率损耗不平衡,从而影响MMC的寿命。文中提出一种基于变执行频率的功率损耗优化控制(variable execution frequency-based power losses optimization control,VEF-PLOC),该控制通过调整电容电压平衡控制的执行频率来调节功率器件的开关损耗,从而优化故障桥臂中功率器件的损耗。提出的VEF-PLOC能够优化SM故障下故障桥臂功率损耗,从而有效地提高MMC的寿命。最后,在时域专业工具PSCAD/EMTDC上进行仿真,并在小型MMC样机上进行实验,仿真和实验结果皆验证了提出的VEF-PLOC的有效性。

基于PCHD模型的MMC-APF无源控制策略

由于无源滤波器只能消除特定次谐波,传统有源电力滤波器耐压水平较低,使其只能应用在低压配电网,同时由于电平数较少导致补偿精度受限。文中选择基于(Modular Multilevel Converter,MMC)的有源电力滤波器为研究对象,同时利用MMC-APF的无源性提出一种基于端口受控耗散哈密顿(Port-controlled Hamiltonian with Dissipation,PCHD)模型的非线性无源控制策略(Passivity-Based Control,PBC)。通过MMC-APF系统的数学模型推导出基于PCHD的无源模型;利用互联法和阻尼分配法设计了相应的无源控制器;通过子摸块电容、环流控制、无源控制得到系统调制信号。仿真结果表明,设计的基于PCHD模型的PBC策略能够将系统控制在较低的谐波标准下,相较于传统PI控制策略具有更好的谐波补偿性能和更快的响应速度。

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。

MMMC两侧电流基于Lyapunov函数的控制策略

分频传输系统(fractional frequency transmission system,FFTS)是一种海上风电电能传输方案,FFTS中最为关键的装置为大功率AC/AC变换器,而模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,MMMC)是一种高电压、大功率AC/AC变换器。针对MMMC输入输出两侧的电流控制,目前一般都采用传统PI控制,其控制参数多且控制效果不理想,而基于Lyapunov函数的控制策略的控制器数量、控制复杂程度和效果都优于PI控制,因此提出了MMMC输入输出两侧电流的Lyapunov函数控制策略。根据MMMC的拓扑结构,推导出MMMC输入输出两侧电流解耦模型,再结合Lyapunov函数控制理论,推导出MMMC输入输出两侧电流的Lyapunov函数控制的数学模型,证明了所提控制具有全局渐进稳定性,讨论了Lyapunov函数控制的不精确以及参数选择问题。最后在MATLAB仿真平台上针对MMMC输入输出两侧电流控制采用所提控制策略和传统控制策略分别在不同工况下进行实验比较,仿真结果验证了所提控制策的正确性与优越性。

电网电压不平衡下MMC-SST反馈线性化滑模控制策略

将模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)投入到固态变压器(solid state transformer,SST)系统中时通常采用比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制方法,但这种策略存在参数选取繁杂、动态性能较差的缺点。为了提高系统的动态性能并简化参数选取,提出了MMC-SST反馈线性化滑模控制策略。首先建立了MMC-SST整体仿真模型。然后建立了采用反馈线性化滑模控制的MMC-SST控制模型。最后利用MATLAB/Simulink平台将所提的控制方法与常规PID控制策略作了仿真比较,验证了所提反馈线性化滑模控制策略具备参数选择容易、动态性能优良的优势。

九边形模块化多电平变换器的解耦模型与控制策略

九边形模块化多电平变换器(N-MMC)是一种具备多端口、低频性、高可靠性等特点的AC-AC变换器,在海上风电领域应用前景广阔。但是,九边形变换器存在不同频率的电气分量强耦合的问题。为此,该文提出了一种九边形变换器的解耦方法。首先,根据九边形变换器的拓扑结构,分析了其桥臂电压、电流的关系,建立了九边形变换器的解耦模型;然后,在此基础上推导了PI控制策略和非线性的无源控制(PBC)策略;最后,在Matlab仿真平台和RT-Lab半物理平台上进行了多种工况的仿真和实验验证,对比了解耦后采用PBC控制、PI控制、未解耦直接采用准比例谐振(QPR)控制的效果,验证了所提解耦模型与PBC控制的可行性与优越性。

基于五桥臂MMC-UPQC的复合模型预测控制研究

针对模块化多电平统一电能质量调节器(modular multilevel unified power quality conditioner, MMC-UPQC)六桥臂结构下的单相桥臂故障问题,提出了一种五桥臂拓扑,这种新型拓扑可实现故障情况下的电能质量补偿。首先,对MMC-UPQC串并联侧的数学模型进行分析,提出了一种复合模型预测控制(hybrid model predictive control,H-MPC),所提控制方法结合了有限集模型预测控制(finite-control-set model predictive control, FCS-MPC)以及快速模型预测控制(fast model predictive control, F-MPC)。然后,通过构建两侧独立的价值函数减少了控制方法的计算量,同时也实现了五桥臂解耦控制。最后,相比传统线性(例如PI)和非线性(例如无源控制passivity-based control,PBC)的控制策略,所提复合模型预测控制在电压补偿、负序电压抑制以及谐波电流补偿等方面具有一定优势,并在一定程度上避免了复杂的参数整定及坐标变化环节。仿真实验结果证明了所提控制方法的可行性和优越性。

基于谐波正负序分离非线性变阻尼无源控制的模块化多电平混合配电变压器

针对含有特殊非线性敏感负荷的中高压配电网,提出了一种含有电流谐波消除功能的模块化多电平混合配电变压器。为了使其在电力谐波环境中拥有更好的电能质量治理效果,在传统电能质量治理装备电流环无源控制的基础上,提出了基于谐波正负序分离的非线性变阻尼无源控制。首先,结合延时消去方法提出谐波正负序分离算法,使谐波正负序分量分离;其次,设计基于端口受控耗散哈密顿模型的电流环正负序分离无源控制器,通过设计非线性阻尼优化定阻尼无源控制的暂态过渡过程。实验结果表明,所提控制方法在模块化多电平混合配电变压器中,馈网电流稳态总谐波畸变率降低,负荷电压接近额定有效值,电流补偿和电压补偿的暂态过渡更平滑。

基于虚拟阻抗的模块化直流电源并联均流控制研究

直流电源各模块之间的参数存在差异,导致模块化直流电源并联运行时存在环流问题。为解决该问题,研究了基于虚拟阻抗的模块化直流电源并联均流控制。文章在模块化直流电源并联运行过程中检测模块间环流,设计一种纯阻性的虚拟阻抗,并加入直流电源并联系统控制结构。通过调整虚拟阻抗来抑制并联电源模块间环流,实现模块化直流电源并联均流控制。实验结果表明,设计方法下各并联直流电源模块之间负载电流的最大偏差仅0.58 A,可以实现良好的均流控制。

A DC Current Flow Controller for Meshed Modular Multilevel Converter Multiterminal HVDC Grids

This paper proposes the design of a novel DC current flow controller(CFC)and evaluates the control performance of balancing and regulating the DC branch currents using the DC CFC in a meshed multi-terminal HVDC(MTDC)grid.The DC CFC consists of two identical full bridge DC-DC converters with the capacitors of the two converters being connected in parallel.The scalability of the DC CFC is easily achievable due to the identical bridge converter topology;the cost of this DC CFC is also relatively low due to its simple physical structure and low voltage ratings.The control performance of the DC CFC is tested on a meshed 3-terminal(3-T)HVDC grid,which is based on modular multilevel converters(MMC).The DC branch current control in the meshed MTDC grid is achieved using the proposed control strategy of the DC CFC,and is verified through case studies on the real-time digital simulator(RTDS).