基于PCHD模型的MMC-SMES无源控制策略

模块化多电平变换器(modulemultilevelconverter,MMC)由于其模块化、灵活性的特点,与传统的两电平、三电平变流器拓扑相比具有功率等级高、谐波畸变小、开关损耗低等显著优点,因此在拥有高功率密度的超导磁储能(superconducting magnetic energy storage,SMES)系统中拥有广阔的应用前景。提出了基于MMC的SMES新型拓扑结构及其无源控制策略,可有效提高受控系统的输出电能质量和动态特性。首先,建立了MMC-SMES的数学模型及其端口受控耗散哈密尔顿模型;其次,针对其运行过程中的非线性特性,通过考虑受控系统的内外部互联结构,设计了MMCSMES的无源控制策略;然后,针对MMC运行中存在的均压和环流问题,分别采用了子模块电容电压的分级式均压控制和负序二倍频坐标变换下的相间解耦控制;最后,仿真结果验证了所提出的MMC-SMES新型拓扑及其无源控制策略的有效性。     

基于模块化多电平变换器的储能系统综述

储能系统是当前和未来新能源电力系统中的关键组成部分,储能系统的引入促进了电网结构的优化,实现了新能源的友好接入和协调控制。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)作为多电平换流器家族中的一员,在中高压大功率场合有着广泛的应用。对基于模块化多电平变换器的储能系统的研究情况进行归纳和总结。首先简要介绍了MMC的拓扑结构和技术特点,其次对各种储能技术的概况进行总结。然后着重讨论了储能单元接入MMC的方式和带有储能装置的MMC的调制策略、子模块电容电压均衡、主电路参数设计、控制方面等关键技术的研究进展情况。最后对基于模块化多电平变换器的储能系统研究的重点问题提出了建议。     

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,其普遍子模块（半桥、全桥结构子模块）的输出为0、1两种电平。提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构并介绍了其工作原理。该种子模块可以输出0、1、2三种电平,与原有的半桥结构相比,在输出同样电平数的情况下,该新型拓扑可以节省25％的IGBT,减少了子模块的总数和换流站的占地面积。成功地将最近电平逼近调制（nearest level modulation,NLM）策略应用到新型拓扑上,并给出了相应的电容电压控制策略。在PSCAD仿真环境中搭建基于NLM的11电平两端MMC—HVDC输电系统,仿真结果表明子模块电容、直流电压和谐波均满足要求,验证了所提拓扑和控制策略的正确性与有效性。     

大功率模块化储能系统SOC优化均衡控制

针对大功率模块化储能系统中储能模块数量庞大而导致的储能电池SOC不均衡问题,提出了一种基于反步法的储能模块SOC优化控制方法,实现了储能电池工作时SOC的一致性。首先根据大功率模块化储能系统和储能模块拓扑结构,分别建立了储能模块的SOC状态方程和输出功率状态方程。然后应用反步法推导出了使各储能模块的SOC趋近一致的优化控制率,设计了储能模块控制器。在此基础上,针对系统中每个储能模块的充电状态、放电状态和切除状态,均进行储能模块的SOC控制,使同一桥臂上偏离期望值较大的储能模块SOC值快速接近期望值,实现了各储能模块充放电过程中的SOC一致性。最后建立了大功率模块化储能仿真系统,验证了SOC均衡控制的有效性。     

基于线性自抗扰技术的SMES储能变流器控制策略

储能系统作为微电网中不可或缺的重要组成部分,对保证微电网的稳定运行和提高微电网电能质量具有重要作用。提出一种基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)的超导磁储能系统(superconducting magnetic storage system,SMES)储能变流器控制策略,利用LADRC能够估计并补偿系统扰动,可有效改善储能系统输出电能质量和提高系统鲁棒性。通过对LADRC和比例积分(proportional integral,PI)控制系统进行频率响应特性分析可知,一阶LADRC的反馈补偿器可以等效为一个PI控制器串联一个一阶低通滤波器,能有效抑制系统高频噪声;同时使用根轨迹法分析了LADRC控制系统的稳定性和鲁棒性。MATLAB仿真结果表明,基于LADRC的SMES储能变流器控制策略具有响应速度快、控制精度高、抗扰能力强等优点,其控制效果和鲁棒性均优于传统PI控制器。     

分散式储能MMC综合控制策略研究

分散式储能多电平变换器（MMC）是一种基于MMC的衍生结构,它将蓄电池储能单元集成于每个子模块中,这样可以实现储能单元的模块化、分散化。同时,分散式储能MMC还具有诸多优势,比如高电压、大容量、低总谐波失真、高容错能力。这些优势使得这种拓扑适用于大容量储能、电机驱动、新能源并网等。分析了分散式储能MMC的工作原理,在此基础上提出了剩余电量控制、能量管理机制、电池储能电路充放电控制,实现了变换器的综合协调控制。搭建了基于Matlab/Simulink的仿真平台和硬件实验平台,仿真和实验结果验证了上述控制策略的优越性和正确性。     

基于VSC的超导储能装置中功率调节系统的设计

针对超导储能装置中基于电压源型变流器的功率调节系统,给出了基于电压源型变流器(VSC)和斩波器(Chopper)的超导储能(SMES)装置功率调节系统(PCS)的主电路拓扑结构和使用占空比表达的PCS低频数学模型,提出了使用非线性变换实现状态方程线性化的方法,通过状态方程的线性化实现有功功率、无功功率及直流侧电压解耦控制的系统设计。Matlab/Simulink环境下系统仿真结果表明,设计的PCS系统控制器对阶跃和正弦波功率指令具有很强的跟踪能力,且直流侧电压有很强的抗干扰能力。     

基于MMC的光伏发电-电池储能系统控制策略

将模块化多电平(MMC)技术与电池储能相结合,提出了一种基于模块化多电平技术的光伏发电-电池储能系统的拓扑结构,并对该系统的核心环节——基于MMC的电池储能系统(BESS)进行了研究。以功率控制为出发点,分别对BESS交流接口和直流接口的电流控制进行了讨论分析,提出了一种适合于光伏发电-储能一体化系统充电与放电的控制策略。在Matlab/Simulink环境下的仿真证明了相关分析以及控制策略的合理性。     

基于模块化多电平变流器的STATCOM的研究

模块化多电平变流器(MMC)在高电压、大功率领域拥有诸多优点,提出一种MMC应用于静止无功补偿器(STATCOM)的控制策略。与H桥级联拓扑相比,MMC因具有正负直流母线,灵活性和适用性更广。设计了MMC子模块电容电压的分级式均压控制策略,包括相间电压均衡控制策略和独立电容电压均衡控制,减小子模块电容电压的波动,维持直流电压稳定。引入一种新的MMC拓扑结构来进行环流抑制,避免了进行负序二倍频坐标变换和相间解耦的复杂控制,实现对环流的有效抑制。基于Matlab/Simulink的仿真结果和实验结果共同表明了所提控制策略的有效性和可行性。     

基于T型三电平变流器的超导磁储能系统及其能量成型控制策略

基于T型三电平拓扑的变流器结合了传统两电平和三电平变流器的优点,可以改善并提高系统的输出特性和运行效率,有效降低功率开关管的电压应力和导通损耗。超导磁储能(superconducting magnetic energy storage,SMES)系统拥有很高的功率密度,作为新型储能装置应用于电力系统是未来的必然趋势。提出了一种基于T型三电平变流器的新型SMES拓扑结构,针对其运行过程中的非线性特性进行了端口受控哈密尔顿建模,并设计了SMES基于反馈互联结构的能量成型控制策略。仿真结果表明,基于能量成型控制及T型三电平拓扑的SMES具有较小的谐波畸变率和很好的功率跟踪性能。将其应用在风力发电系统中,有效平抑了风电波动,增强了风电场的并网能力。     

A developed control strategy for mitigating wind power generation transients using superconducting magnetic energy storage with reactive power support

The fast variations of wind speed during extreme wind gusts result in fluctuations in both generated power and the voltage of power systems connected to wind energy conversion system (WECS). This paper presents a control strategy which has been tested out using two scenarios of wind gusts. The strategy is based on active and reactive powers controls of superconducting magnetic energy storage (SMES). The WECS includes squirrel cage induction generator (SCIG) with shunt connected capacitor bank to improve the power factor. The SMES system consists of step down transformer, power conditioning unit, DC–DC chopper, and large inductance superconducting coil. The WECS and SMES are connected at the point of common coupling (PCC). Fuzzy logic controller (FLC) is used with the DC–DC chopper to control the power transfer between the grid and SMES coil. The FLC is designed so that the SMES can absorb/deliver active power from/to the power system. Moreover, reactive power is controlled to regulate the voltage profile of PCC. Two inputs are applied to the FLC; the wind speed and SMES current to control the amount active and reactive power generated by SMES. The proposed strategy is simulated in MATLAB/Simulink®. The proposed control strategy of SMES is robust, as it successfully controlled the PCC voltage, active and reactive powers during normal wind speeds and for different scenarios of wind gusts. The PCC voltage was regulated at 1.0 pu for the two studied scenarios of wind gusts. The fluctuation ranges of real power delivered to the grid were decreased by 53.1% for Scenario #1 and 56.53% for Scenario #2. The average reactive power supplied by the grid to the wind farm were decreased by 27.45% for Scenario #1 and 31.13% for Scenario #2.     

超导储能在并网直驱风电系统中的应用研究

针对直驱风电系统并网运行过程中存在的输出有功功率波动和低电压穿越问题,在变换器的直流环节并联超导储能系统。对超导储能系统的斩波器提出双闭环加脉冲判断的控制策略,确保超导磁体线圈电流水平,使超导储能系统可以快速、准确地充放电,从而稳定直流环节功率。同时,通过引入谐振控制器的方法,对网侧变换器的控制策略进行改进,实现电网电压不对称跌落情况下,负序分量引起波动的有效控制。仿真结果表明,采用上述方案后直驱风电系统向电网输送较为平滑的有功功率、低电压穿越能力得到了提升。     

超导磁储能系统抑制风力发电功率波动的研究

建立含超导磁储能装置(SMES)的单机无穷大系统的Phillips-Heffron模型,导出含SMES电力系统总的电磁转矩表达式,从理论上分析SMES对增强系统阻尼的作用.并设计了SMES非线性比例积分微分控制器,数字仿真结果验证了SMES阻尼系统功率振荡的特性,同时表明该控制器具有较好的鲁棒性.     

高压大容量储能功率转换系统的拓扑结构比较

高压大容量储能功率转换系统的主电路是储能电池进行充放电控制的基础,选择合理的功率转换系统主电路拓扑结构直接关系到高压大容量储能系统实际应用的可行性。分析变压器升压型变流器并联结构、H桥链式多电平变流器、全(半)桥模块化多电平变流器的单级式与双级式主电路拓扑结构,对比上述拓扑结构的材料成本、工作可靠性、材料功率损耗和输出电能质量。基于数学模型与仿真分析综合比较单位容量投资成本、工作可靠性、系统损耗和输出电能质量,结果显示H桥链式多电平变流器和半桥模块化多电平变流器更适合构建10 kV兆瓦级高压大容量储能功率转换系统。     

A fuzzy logic controlled superconducting magnetic energy storage,SMES frequency stabilizer

This paper presents application of fuzzy logic controlled superconducting magnetic energy storage device, SMES to damp the frequency oscillations of interconnected two-area power systems due to load excursions. The system frequency oscillations appear due to load disturbance. To stabilize the system frequency oscillations, the active power can be controlled via superconducting magnetic energy storage device, SMES. The error in the area control and its rate of change is used as controller input signals to the proposed fuzzy logic controller. In order to judge the effect of the proposed fuzzy logic controlled SMES, a comparative study is made between its effect and the effect of the conventional proportional plus integral (PI) controlled SMES. The studied system consists of two-area (thermal–thermal) power system each one equipped with SMES unit. The time simulation results indicate the superiority of the proposed fuzzy logic controlled SMES over the conventional PI SMES in damping the system oscillations and reach quickly to zero frequency deviation. The system is modeled and solved by using MATLAB software.     

基于输入/输出反馈线性化的SMES控制策略研究

由于超导磁储能系统(SMES)的非线性特性,精准的控制策略是SMES实际应用的基础。文中提出了一种基于新型非线性鲁棒控制的SMES功率控制策略。建立了电压源型SMES的交流侧变流器以及直流斩波器两部分的数学模型。根据反馈线性化原理,设计了SMES基于输入/输出反馈线性化控制策略。仿真结果表明,基于输入/输出反馈线性化控制的SMES对功率指令具有优秀的跟踪能力,同时能够快速稳定直流侧电压。与SMES的经典PI控制策略进行对比分析,所提出的控制策略具有更好的鲁棒性和快速收敛性。     

基于储能装置的柔性直流输电技术提高大规模风电系统稳定运行能力的研究

大规模风电集中接入电网对直流输电技术提出了更高的要求。为此,提出了基于储能装置的柔性直流输电并网传输系统拓扑结构。根据dq同步旋转坐标系下VSC-HVDC(Voltage Source Converter HVDC)系统的数学模型,设计了相应的换流器直接电流控制策略。其中送端换流站解耦控制器实现了风电场输出有功功率和无功功率的独立控制,受端换流站采用将储能装置充放电功率偏差值作为直流电压控制器附加信号的控制策略。最后,以配备双馈风电机组的风电场经柔性直流输电系统接入电网进行仿真分析,针对风电场在噪声风引起的输电功率波动、受端换流站侧交流系统短路故障等情况进行仿真验证,结果表明该控制方案有效可行。     

适用于实时仿真的MMC子模块电容电压优化均衡方法

针对并行全比较算法存在的高空间复杂度问题,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)实时仿真的电容电压均衡优化方法。在子模块电容电压的排序方面,采用分组排序的均压策略,组内子模块采用并行全比较算法以减少排序时间,组间子模块根据所定义的能量平衡因子计算结果来平衡其电容电压值。此外,提出一种子模块电容电压值重构方法处理含相同电容电压值的子模块排序问题。在触发脉冲产生方面,提出一种串、并行触发结合的混合触发模式,将触发脉冲产生环节消耗的时间与MMC各桥臂子模块总数解耦。在PSCAD/EMTDC仿真程序和低功率MMC物理样机平台的阀级控制器中验证了所提MMC子模块电容电压优化均衡方法的逻辑有效性和工程实用性,证明了所提方法在保证低时间复杂度的同时,其空间复杂度亦有所降低。