模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器的快速电压模型预测控制策略

针对传统模型预测控制策略用于模块化多电平换流器(MMC)时存在运算量庞大的问题,在分析MMC离散数学模型的基础上,通过优化控制目标实现方式、简化滚动优化过程,提出一种结合排序均压思想的快速电压模型预测控制策略。该控制策略针对三相MMC系统,基于电压矢量预测模型进行设计,可在保留传统模型预测控制算法优点的同时令运算量得到大幅度减小,使其应用不受MMC电平数量限制。通过在MATLAB/Simulink软件中搭建双端21电平的基于MMC的柔性高压直流输电(MMC-HVDC)系统模型进行了仿真验证,证明了所提控制策略的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器直流输电稳态仿真分析

电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC）是基于电压源换流器技术的新一代直流输电技术。该文介绍了模块化多电平电压源换流器的拓扑结构和工作原理。针对模块化多电平换流器（MMC）的电容电压平衡问题,提出了一种有效的电容电压平衡控制策略,保证个子模块电容电压处于相同的范围之内;并针对MMC-HVDC系统,采用载波移相调制策...     

模块化多电平柔性直流输电新型控制策略

首先简要介绍了模块化多电平变换器(MMC)的工作机理;其次针对MMC电容电压平衡问题和环流抑制问题,提出一种基于CPSM调制的改进MMC相间环流抑制和电容电压平衡控制方法;最后,针对MMC-HVDC交流系统不对称故障,设计了基于无差拍控制的分序电流内环控制器和系统外环功率控制器。基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究

多端模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)一直是柔性高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)工程应用的重要部分,因此对其控制策略的研究很有实际意义。文章基于三相静止坐标系下MMC的数学模型,建立了dq旋转坐标系下的数学模型,根据瞬时功率理论设计出外环功率和内环电流的MMC-HVDC系统控制器。针对传统电容电压平衡策略的问题,从减少开关频率的角度提出了改进型的子模块电容均压方式。由于文章中真模型中相单元子模块过多,为使系统更稳定可靠运行采用了最近电平逼近策略(Nearest Level Modulation,NLM)。最后在Matlab/Simulink仿真软件中搭建89电平双端有源MMC-HVDC系统模型,从改变控制器参考值、有功功率反转等角度对控制系统进行仿真分析对比,验证了MMC-HVDC系统控制器的可靠性和稳定性。     

一种MMC-HVDC的直流电压波动抑制新方法

针对柔性直流输电系统常规直流电压波动抑制算法中存在的缺陷,提出一种适用于模块化多电平换流器型高压直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)的直流电压波动抑制方法。该方法利用MMC特有的“储能”特性,在交流系统不对称时,控制 MMC 交、直流侧瞬时有功功率不再平衡,从而实现MMC交流侧电流依然保持对称运行,同时直流侧电压、电流和功率保持为恒定。为了实现上述控制功能与目标,建立三相交流系统不对称时 MMC 直流回路的模型,设计αβ0坐标系下以比例谐振调节器为基础的控制策略,且探讨MMC-HVDC中的协调控制问题。最后,搭建71电平背靠背 MMC-HVDC 系统模型进行数字仿真,结果验证了所提控制方法的有效性。     

基于模型预测控制的MMC-HVDC系统控制策略研究

为提高基于模块化多电平换流器的直流输电系统(MMC-HVDC)电流内环的动态响应速度,提出了一种MMC-HVDC系统的模型预测控制(Model predictive control, MPC)方法。该方法通过预测模型、反馈校正和滚动优化得到最优的电压控制量,克服了传统双闭环控制PI参数整定困难和动态响应慢的问题。针对外环PI控制器参数对系统参数敏感的问题,对PI控制器参数进行了自适应调整,根据控制器的输入偏差和输出的大小来调整PI参数,提高了控制器的鲁棒性。针对子模块电容的均压问题,采用了基于排序法的最近电平调制(NLM)均压调制算法,有效地实现了子模块电容电压的平衡。最后,通过Matlab/Simulink平台搭建了5电平的MMC-HVDC系统仿真模型。仿真结果表明了该控制策略的有效性和可行性。     

基于SSPFM电容均压的MMC-HVDC系统模型预测控制策略EI北大核心CSCD

针对模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)系统采用双闭环PI控制参数存在整定难和动态响应慢的问题,提出了一种应用于MMC-HVDC的模型预测控制方法。但模块电容均压排序在具有大规模桥臂模块数的模型预测控制(MPC)策略中存在局限性,提出了希尔排序优化质因子算法(SSPFM)电容均压分组排序方法,通过SSPFM-MPC控制策略,使MMC-HVDC系统具有良好的动态功率响应性能,实现了子模块电容电压均衡与环流抑制之间的良好协调。在PSCAD/EMTDC中搭建了两端401电平MMC-HVDC仿真模型,通过SSPFM-MPC将电压排序的MPC模型的401种组合状态减少到了36种,且系统动态响应良好,验证了所提方法的正确性。     

并联全桥子模块MMC的自均压运行特性研究

模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)面临半桥子模块拓扑不能清除直流故障电流和子模块电容电压排序计算量过大、对传感器实时性要求高等问题。有文献针对低压领域MMC应用中存在的负荷电流过大、电容电压监测困难等问题,提出并联全桥子模块(paralleled full bridge sub-module,P-FBSM)拓扑,对MMC-HVDC具有借鉴意义。该文从P-FBSM结构出发,分析其开关状态集,进而推导以开关函数表示的并联全桥MMC桥臂模型;基于最近电平逼近调制,设计P-FBSM动态分配均压控制策略,实现无需子模块电容电压的自均压控制,有效减小控制器计算量、降低传感器实时性要求。最后,在PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果表明,采用所提均压控制策略可同时实现子模块电容电压的自均衡和直流故障电流快速清除。     

模块化多电平变流器高压直流输电系统直流故障改进控制策略

针对模块化多电平变流器高压直流(MMC-HVDC)输电系统直流故障,首先建立全桥型MMC-HVDC系统的详细数学模型,并对故障期间系统过电压或过电流的产生机理及其发展过程展开深入分析,分析结果表明:在直流双极短路和单极接地故障期间,MMC-HVDC系统正、负极直流母线电压与MMC上、下桥臂电压的直流分量不匹配,导致桥臂电容迅速放电,进而引起系统严重过电流。因而提出在直流故障期间将MMC上、下桥臂实行分离控制,并使上、下桥臂电压的直流分量跟随正、负极直流母线电压而变化,从而实现MMC-HVDC系统直流故障下的安全、稳定运行,所提控制策略实现了MMC-HVDC系统三种直流故障穿越控制的有效简化和统一。另外,为提升直流单极接地和断线故障条件下MMC-HVDC系统的经济运行能力,进一步提出了一种新型功率指令优化策略。最后基于PSCAD/EMTDC仿真证明了所提MMC-HVDC系统直流故障控制策略以及功率指令优化策略的正确性与可行性。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

基于直流内电势控制的MMC多端直流输电系统最优下垂控制

基于模块化多电平换流器(MMC)的直流内电势直接控制方法提出了一种新型的MMC多端直流输电系统下垂控制策略。该控制策略在直流电压控制站实现直流内电势-直流电流的下垂特性,并在功率控制站实现对直流电流和电容电压的闭环控制。基于对频域响应特性的分析给出了该控制策略的优化控制参数设计方法。仿真证明了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于子模块电容电压预估的MMC分段电压平衡优化控制

随着高压直流输电系统电压等级和输送容量的提升,对模块化多电平换流器的电容电压平衡控制提出了更高的要求.为了实现对高压大容量模块化多电平换流器电容电压的优化控制,基于桥臂子模块分段控制思想,采用分段电容电压排序控制方法.首先,分析了段内和段间电容电压平衡机理,提出了段间电压平衡控制策略;其次,将MMC开关频率分为两部分,分别分析了各部分开关频率的影响因素,提出了基于子模块电容电压预估的段内电容电压平衡优化控制策略,以降低器件的等效开关频率;最后,基于PSCAD/EMTDC的仿真结果表明,在有效保证电容电压平衡的条件下,等效开关频率降幅可达25％,从而验证了相关理论分析的正确性和控制策略的有效性.     

基于双SVPWM的MMC电容电压平衡控制研究

针对模块化多电平变换器(MMC)系统中存在的桥臂电压和子模块(SM)电容电压平衡问题,设计了一种基于双空间矢量脉宽调制(SVPWM)的MMC电容电压平衡控制策略。分别设置了两组SVPWM对三相MMC上、下桥臂独立控制,并结合使用冗余开关矢量实现了SM电容电压平衡。同时设计了SM外部电容电压平衡方法,以最小化计算负担。在SM选择过程中使用了负载电流的方向而非桥臂SM电流,降低了电流传感器数量。利用MMC试验平台对基于双SVPWM的MMC电容电压平衡控制方案进行了测试。研究结果表明,新型控制方案能有效平衡MMC电容电压。     

基于分级控制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

子模块电容电压的平衡关乎模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)能否安全稳定工作。根据MMC结构特点,将MMC电容电压的平衡划分为相间电容电压平衡和相内电容电压平衡2部分,并基于此划分提出一种基于分级控制的MMC子模块电容电压平衡方法：首先分析MMC相间电容电压平衡控制,在对MMC各相子模块电容电压平均值进行独立控制的基础上,实现相间电容电压平衡;然后,分析MMC子模块电容电压波动规律,通过对各桥臂调制波叠加平衡控制量,实现单相内部上、下桥臂间电容电压平衡和桥臂内子模块间电容电压平衡;最后,对所提控制策略在PSCAD/EMTDC软件中进行仿真验证。仿真结果表明该方法正确、有效,有利于MMC的电压稳定和安全运行。     

基于CPS-SPWM调制方法的MMC-HVDC输电系统冗余保护策略研究

子模块故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统最常见故障之一。为保证子模块故障后MMC-HVDC系统能够稳定工作,本文首先对子模块故障后桥臂电流、桥臂间环流及直流侧电流的影响进行数学分析,确定了MMC子模块容错方案;然后将子模块冗余控制与带有电容均压控制和环流抑制控制的载波相移脉宽调制(CPS-SPWM)方法相结合,设计了基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略;最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端10电平的MMCHVDC输电系统模型。通过对模型进行稳态仿真以及子模块故障时的暂态对比仿真,验证了本文所提出的冗余保护策略的正确性和有效性。     

计及直流侧大电感的MMC建模与控制

在直流侧串联限流电抗器的模块化多电平换流器高压直流输电系统中,对于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)其直流侧存在一个等效大电感,传统的控制策略不能满足暂态过程中MMC直流侧电流和子模块电容电压的动态需求。针对这个问题,文章提出一种MMC内外部电流解耦控制和子模块电容能量分层平衡控制的新型控制策略。该方法将MMC桥臂电流分解成直流侧电流、交流侧电流和相间环流,实现MMC内外部电流的解耦独立控制,通过控制MMC的直流侧电流、相间环流的直流分量和正负序基频分量完成对子模块电容能量的分层平衡控制。在Matlab/Simulink仿真软件中构建计及直流侧大电感的MMC仿真模型,并进行验证。仿真结果表明,当MMC直流侧包含大电感时,所提改进建模和控制方法能显著提高其直流侧电流和子模块电容能量的暂态性能。     

不对称交流电网下MMC-HVDC系统的控制策略

在MMC-HVDC系统中,交流电网不对称会导致MMC换流器交流侧电流不平衡、直流侧出现较大的2倍频电流和电压波动等问题。为解决这些问题,该文建立不对称交流电网下MMC-HVDC系统的数学模型,提出一种带有前馈补偿的交流电流、桥臂环流和直流电流的解耦控制策略及子模块电容电压和直流电压的平衡控制策略,避免了由交流电网不对称引起的功率振荡传播到直流系统,抑制了直流侧电流和电压波动,使得MMC在交、直流系统间起到了"防火墙"的作用。同时,改善了换流器直流侧电流、交流侧电流、子模块电容电压和直流电压控制的暂态性能。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。     

模型预测控制在MMC-HVDC中的应用

针对不对称交流电网下模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)的传统不平衡控制策略存在的诸多缺点,提出两种改进的不平衡控制方法:电流环模型预测控制方法和模型预测直接功率控制方法。两种方法分别实现了对MMC交流侧电流的控制和对MMC交流侧有功和无功功率的直接控制。详细描述了两种控制方法的控制原理及设计过程,与传统的双矢量控制策略从控制结构复杂度、稳态性能和动态性能等方面进行了对比分析。将模型预测直接功率控制与功率补偿策略相结合,以分别实现不对称电网下抑制负序电流、抑制有功波动和抑制无功波动3种控制目标。在PSCAD/EMTDC中搭建了5电平MMC-HVDC模型,验证了该文所提两种控制方法的正确性和有效性。     

基于SSPFM电容均压的MMC-HVDC系统模型预测控制策略

针对模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)系统采用双闭环PI控制参数存在整定难和动态响应慢的问题,提出了一种应用于MMC-HVDC的模型预测控制方法。但模块电容均压排序在具有大规模桥臂模块数的模型预测控制(MPC)策略中存在局限性,提出了希尔排序优化质因子算法(SSPFM)电容均压分组排序方法,通过SSPFM-MPC控制策略,使MMC-HVDC系统具有良好的动态功率响应性能,实现了子模块电容电压均衡与环流抑制之间的良好协调。在PSCAD/EMTDC中搭建了两端401电平MMC-HVDC仿真模型,通过SSPFM-MPC将电压排序的MPC模型的401种组合状态减少到了36种,且系统动态响应良好,验证了所提方法的正确性。