多端柔性直流输电系统谐波特性及交互机理分析

为分析基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)的谐波特性及交互机理,首先引入平均开关函数的概念,建立了MMC详细时域模型,忽略内部动态特性得到MMC简化模型,从而得到MMC-MTDC的等值电路以及各换流器直流侧谐波电流对各换流器直流端口电压谐波的传递函数。随后,定义MMC交流侧电流和直流侧电压电流的各阶动态相量为状态变量,将MMC时域模型转化为序分量动态相量谐波分析模型,得到MMC特征谐波分布特性及交直流侧谐波传递机理。通过描绘换流器直流侧谐波电流对各换流器直流端口电压谐波传递函数的频率特性曲线,分析了MMC-MTDC的谐振特性以及谐波在不同换流器间的交互机理。最后,在MATLAB/Simulink中的仿真验证了谐波特性及交互机理分析的正确性,分析结果可为谐波抑制策略的提出提供理论支撑。     

考虑交直流多谐波耦合的模块化多电平换流器矩阵建模

谐波耦合矩阵模型可为电力系统线路和元件的谐波稳定性研究提供有效支撑。但对于内部结构复杂的模块化多电平换流器(MMC),已有研究中的矩阵模型不能描述其交、直流侧谐波间耦合关系或只能对特定次数谐波的耦合关系进行讨论。故考虑MMC开关函数可描述换流器的特定次数谐波间耦合关系,但其本身为周期时变的特点,以及谐波状态空间理论(HSS)可以将周期时变模型定常化,同时描述各量全部次数谐波间耦合关系的优点,将两者结合以搭建了可同时描述MMC交、直流侧各电气量的全部次数谐波间关系的谐波耦合矩阵模型。将加入谐波扰动后的MMC谐波耦合矩阵模型的理论计算结果与PSCAD电磁仿真模型仿真结果对比,证明了该模型对MMC谐波耦合特性描述的准确性。     

中压应用场景下模块化多电平换流器直流侧谐波等值电路建模研究

本文首先建立了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的时域平均模型.接着,为获取中压应用场景下MMC平均开关函数的谐波特性,建立了平均开关函数的动态相量模型.基于MMC的时域平均模型和平均开关函数动态相量模型,推导得到MMC的直流侧谐波等值电路.等值电路由直流侧等效谐波电流源和等效谐波阻抗组成,其中等效谐波电流源不仅能反映MMC交流侧谐波电流对直流侧谐波电流的传递作用,还能反映直流侧特征谐波电流特性.最后,基于Matlab/Simulink仿真模型验证了MMC直流侧等值电路的正确性.     

低电平MMC-HVDC样机滤波装置设计

为了确保低电平模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)样机注入公共电网的谐波含量符合现有的电能质量标准条例,对其进行配套的滤波装置设计是必要的.文章根据MMC拓扑结构特点,推导出了MMC的等值电路,并将MMC看成一个有多种谐波的谐波电压源,从而设计了MMC交流侧谐波的等效电路.在此基础上,结合MMC-HVDC的调...     

基于动态相量及传递函数矩阵的模块化多电平换流器交直流侧阻抗建模方法

该文提出一种模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)交直流侧阻抗的统一建模方法。动态相量被用于MMC的电气建模,该模型建立在旋转d-q坐标系下,并且考虑了环流动态。将线性化的MMC10阶动态相量模型通过拉普拉斯变换转换到s平面并与控制系统结合,得到代表MMC闭环控制动态的频域模型,在该模型的基础上,基于传递函数矩阵推导了MMC的交直流侧阻抗。与电磁暂态仿真的对比表明该文推导的交直流侧阻抗模型在1～3000Hz内具有较高的精度。最后,将建立的交流侧阻抗用于一起MMC高频谐振事故分析,将直流侧阻抗用于平波电抗器对双端直流输电稳定性的影响分析。分析结果进一步验证了所提模型的有效性,同时指出,高延时会导致高频振荡产生;过大的平波电抗器易导致HVDC出现直流谐振。     

MMC-HVDC输电系统中高频阻抗建模及谐振机理分析

目前对基于模块化多电平换流器的高压直流(modular multilevelconverterbasedhighvoltagedirectcurrent,MMC-HVDC)输电系统的中高频谐振机理尚缺乏系统性的研究,因此,基于分块化阻抗建模方法和谐波阻抗分析法系统地揭示了MMC-HVDC输电系统的中高频谐振机理。首先,基于分块化阻抗建模方法,将MMC-HVDC输电系统进行分块,通过对交直流系统电路及MMC控制系统的分析,分别建立了MMC交、直流侧等效阻抗模型,同时根据线路的分布参数特性建立了输电线路阻抗模型,形成了MMC-HVDC输电系统等效模型;其次,通过研究控制环节和参数对MMC等效阻抗的影响,获得了主要的影响因素;然后将谐振分为有源谐振和无源谐振,从而系统地揭示了MMC-HVDC输电系统的谐振机理;最后,通过仿真验证了所建模型及谐振分析方法的有效性和正确性。分析及仿真结果表明：在中高频段,MMC直流侧系统仅可发生有源谐振,谐振频率主要与直流线路参数有关;MMC交流侧系统可发生无源和有源谐振,无源谐振主要受MMC交流侧阻抗负阻尼特性的影响,而有源谐振与MMC和电网参数均相关。     

考虑多频率谐波动态的模块化多电平换流器建模及耦合特性分析

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)复杂的电力电子化特征,使其与交直流电网间存在不易描述的多频率耦合现象。基于谐波状态空间原理建立起MMC主电路和包括电流矢量与环流抑制等在内的控制系统的小信号模型,通过二者的接口关系整合出MMC系统模型,其涵盖了多频率谐波的动态特性。以该模型为基础,提出MMC系统谐波传递函数计算方法,并根据谐波传递函数矩阵给出交、直流电流及MMC内部环流的谐波耦合阻抗全局关系,进一步分析了扰动谐波与这3组不同电流谐波分量的频率耦合特性。最后,通过电磁暂态仿真模型与文中建立的小信号模型进行不同工况下的仿真与计算的对比,验证了小信号建模的有效性和谐波耦合特性分析的正确性。     

含MMC的交直流输电系统短路电流统一求解方法

针对含模块化多电平换流器(MMC)的交直流输电系统短路电流水平校核问题,在考虑MMC的运行方式和控制系统的基础上,建立了MMC交流侧故障模型。在对比分析了同步机电源和MMC输出短路电流的机理后,通过近似求解并网点(PCC)处电压将MMC交流侧故障模型简化为电流源模型以实现PCC处电压和MMC输出电流之间的解耦。对支路进行合理编号并筛选出电源支路和待求短路电流所在无源支路,基于电网络理论将联络节点构成的无源网络用混合参数表征,经推导得到了含MMC的电网短路电流计算的统一求解方法。不同工况下的仿真结果表明,通过建立各控制策略下的MMC交流侧故障模型,所提算法能准确统一求解不同MMC交流侧故障下的短路电流,可用于含MMC的交直流输电系统的设备选型和保护系统设计。     

单相二极管箝位三电平电压源型换流器谐波分析

电压源型换流器(voltage source converters,VSC)正常工作时会产生谐波,对电网造成污染。因此,有必要建立其谐波分析模型,分析谐波产生机理和相互作用规律。本文首先分析了单相二极管箝位三电平电压源型换流器时域下的数学模型且建立不同调制方式下开关函数的动态相量模型,并将单相三电平时域模型转化为动态相量谐波分析模型;然后基于龙格库塔法解得不同调制方式下,交流侧电流和直流侧电压各次谐波含量;接着,通过仿真分析,验证了所提出谐波分析模型的正确性;最后,通过分析单相三电平电压源型换流器的动态相量模型,揭示了交流侧电流和直流侧电压谐波产生的机理和相互影响规律。     

电压源型换流器谐波产生机理的道路树分析

电压源型换流器(VSC)谐波产生是由其交直流侧电压电流通过电力电子器件之间的非线性相互作用引起的,其机理复杂。为能直观展示VSC的谐波产生机理,提出了利用稀疏矢量法求解线性代数方程中的道路树分析VSC交直流侧谐波相互作用关系的方法,从而用赋权有向因子图展示VSC谐波产生机理。首先简化VSC的序分量动态相量谐波分析模型为线性代数方程,引入稀疏矢量求解线性代数方程组的方法对谐波分析模型进行求解。其次,利用谐波分析模型的变量定义和系数矩阵的特点,定义线性代数方程组稀疏矢量求解过程中的前代运算和回代运算为VSC交直流侧谐波电压电流之间的相互作用关系。然后,利用赋权有向因子图表示前代运算和回代运算的求解道路树,从而直观描述VSC的谐波产生机理。最后,通过仿真分析可知,由三相不对称产生的基波负序电流或背景谐波均能在直流侧产生相应的低次非特征谐波电压,从而验证了方法的有效性。利用稀疏矢量法求解线性代数方程,并通过用赋权有向因子图展示求解道路树,能直观全面地展示VSC谐波产生的机理和交直流侧的相互作用,同时验证了VSC交直流侧谐波相互作用的相对独立性。     

基于多通道信号分离器的MMC网侧背景谐波电流抑制策略

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)受电网背景谐波影响输出谐波电流的问题提出抑制策略。通过计算子模块能量波动函数得到MMC在背景谐波影响下的输出电压,进而分析了MMC网侧背景谐波电流产生的规律。利用交叉解耦复数滤波器设计了多通道信号分离器,实现了对MMC网侧谐波信号的分离提取。对所分离的各次谐波建立了MMC数学模型,并以此为基础设计了谐波电流抑制器;通过搭建双端HVDC输电模型对理论分析和抑制策略进行了仿真验证。仿真结果表明,MMC网侧输出背景谐波电流规律与理论分析吻合,所提出的抑制策略能有效降低MMC网侧电流中的背景谐波含量。     

MMC的交直流侧扰动特性分析

为规避模块化多电平换流器(MMC)带来的振荡失稳风险,对其交直流侧的受扰动特性进行深入研究。首先,基于桥臂电感和子模块电容的动态特性,建立了MMC的状态空间模型,其中特别考虑直流侧中点电位电压的影响。然后基于频率分量平衡原则,对正常工况以及交直流侧受扰动情况下MMC内部各变量的频率分量进行分析,并建立描述各变量扰动频率分量间对应关系的多频率扰动矩阵。在此基础上,通过时域仿真验证多频率扰动矩阵的准确性,并对次/超同步频段内MMC交直流侧的端口阻抗进行计算。最后,基于阻抗频率特性对MMC的交直流侧扰动放大效应进行分析。分析结果表明,MMC在次/超同步频段内某些频率下会放大系统扰动,且这些频率与系统参数有关。     

LCC-MMC串联型混合直流输电系统小信号建模

该文建立了整流侧为电网换相换流器(LCC)、逆变侧为LCC和模块化多电平换流器(MMC)串联的LCC-MMC串联型混合直流输电系统的小信号模型.首先,推导LCC的交直流侧等效电路和考虑内部动态特性的MMC的交直流侧等效电路;然后,基于等效电路构建系统整流侧模型和逆变侧模型,并对直流输电线路和控制系统进行建模,通过组合各个部分模型得到全系统模型;最后,通过线性化全系统模型得到全系统小信号模型.通过对比基于PSCAD/EMTDC搭建的电磁暂态模型验证小信号模型的准确性;基于小信号模型,分析MMC定直流电压控制参数、逆变侧LCC定直流电压控制参数、锁相环(PLL)参数和交流联络线参数对系统小信号稳定性的影响.该文所提出的LCC-MMC串联型混合直流输电系统的小信号模型可用于系统的小信号稳定性分析,从而为系统设计和参数选择提供有价值的参考.     

LCC-MMC混合直流输电系统直流侧谐波电流计算

针对一种在整流侧和逆变侧分别采用电网换相型换流器和模块化多电平换流器(MMC)的混合直流输电系统,提出了直流侧谐波电流频率计算方法和完整流程。在整流侧采用三脉动谐波电压源,等效了12脉动换流器的谐波输出特性;在逆变侧使用电容串联电感的无源结构,作为MMC直流侧等效电路;线路参数计算中采用了全相非解耦模型的改进算法。与基于PSCAD/EMTDC搭建数字仿真模型进行直流侧谐波电流计算结果的比较,验证了提出方法的准确性。     

基于谐波线性化的模块化多电平换流器阻抗建模

模块化多电平换流器(MMC)的小信号阻抗建模是分析含MMC的电力系统谐振及稳定性的关键。MMC是一个多频率、非线性、周期性时变的系统,具有复杂的内部动态特性,传统的小信号建模方法无法直接用于MMC。采用谐波线性化法对MMC的交流侧小信号阻抗进行建模,计及谐波环流和电容电压稳态纹波的影响,并揭示了环流控制对MMC交流侧阻抗的作用机理。利用MATLAB/Simulink搭建三相MMC详细时域仿真模型,仿真测量结果验证了解析模型的正确性。     

基于载波移相的MMC控制策略研究及仿真

模块化多电平变换器(MMC)是一种结构独特的多电平变换器,相对于传统多电平变换器,其结构简单且高度模块化、输出灵活、谐波畸变率较小,因此成为大电压高功率场合的研究热点。由于MMC的调制技术和电容电压均衡是其稳定运行的基础和关键,因此研究分析了MMC的拓扑结构和工作原理,学习了载波移相调制技术(Carrier Phase-Shifted SPWM,CPS-SPWM)的原理,并提出将载波移相调制和子模块电压均衡控制相结合的控制策略。在Matlab/Simulink里搭建了基于载波移相调制和子模块电容电压均衡控制的三相MMC仿真模型,结果验证了研究提出的控制策略在MMC中等效开关频率较高,输出电压谐波特性良好,可以很好地控制电容电压波动,是一种适合MMC的控制策略。     

基于谐波等值电路与快速仿真模型的MMC交流侧谐波分析

首先总结IEC/TR62001:2009标准中涉及交流谐波的各项谐波计算指标,推导出模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的交流侧谐波等值电路;然后根据MMC交流输出的阶梯波特性,提出一种基于多个方波叠加的MMC交流谐波简化分析方法;接着针对利用MMC详细电磁暂态仿真模型进行谐波分析仿真速度太慢的问题,提出一种利用MMC快速模型进行MMC谐波分析方法;最后在PSCAD/EMTDC下对基于Matlab的谐波解析分析进行了仿真验证,通过理论计算与数值仿真证明了本文所提出方法的正确性。     

MMC-HVDC系统谐波研究

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于具有高度模块化、结构紧凑、输出波形质量高和有公共直流母线等优点,一经提出就备受关注,被认为是未来高压电能变换领域最具发展潜力的多电平换流器。然而,由于MMC的结构特点,桥臂中存在包含低频分量的环流,引起MMC直流侧谐波。在不对称条件下,MMC直流侧谐波大为增加,难以忽略,而现有的理论分析与实测数据相差较大。在分析MMC的电路拓扑、工作原理及其特性的基础上,回顾现有MMC-HVDC系统研究,针对MMC环流及直流侧谐波问题,总结最新的研究进展,指出今后有待解决的关键问题,对MMC-HVDC谐波的研究方向作出展望。     

模块化多电平换流器的桥臂平均值模型

模块化多电平换流器（MMC）的快速仿真模型是进行柔性直流输电系统相关研究的基础。在众多模型中,MMC的桥臂戴维南模型应用最为广泛,通过研究发现其仿真速度可以进一步提高。在MMC桥臂戴维南等效电路的基础上,利用能量均分思想提出了一种新的桥臂平均值模型。该模型显著减小了戴维南等效模型的计算负担,提高了模型的仿真效率。通过仿真验证了该模型可以适用于环流抑制、交直流侧故障仿真等应用场景。     

MMC-HVDC换流器阻抗频率特性分析

分析模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)交直流侧呈现的阻抗频率特性是系统设计的重要内容。首先根据MMC的基本运行机理和连续模型,推导交直流侧阻抗的等效表达公式;然后提出基于测试信号法的阻抗计算方法和详细实现流程;最后利用PSCAD/EMTDC对典型系统进行仿真计算。结果表明:1)在电压源激励和电流源激励下所呈现的交流侧阻抗特性不同,而直流侧阻抗特性一致;2)交流侧阻抗特性难以利用无源元件简单串并联模拟,而直流侧阻抗可等效为单调谐滤波器;3)稳态运行点变化对交直流侧阻抗几乎没有影响;4)不同控制模式下交直流阻抗特性曲线基本趋势一致,主要在低频范围内略有不同。