MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制

当模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统子模块发生故障时,上、下桥臂处于不对称运行状态,此时会导致上、下桥臂子模块输出电压之和不均衡,造成换流器内部环流不仅含有二倍频负序分量,还增加了基频分量,导致直流侧电流波动。基于MMC桥臂子模块不对称运行时平均开关函数,阐述了上下桥臂子模块数目不对称运行时子模块数量不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和,以及桥臂电流基频分量与桥臂正常运行子模块数量、环流直流分量和二倍频分量之间的关系。提出一种MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制策略,在实现交流电流跟踪、子模块电容电压均衡的同时,可以实现故障时对环流基频和二倍频成分的抑制,使正常运行子模块电压维持在给定值附近,维持直流侧电流稳定。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

模块化多电平换流器的容错控制策略

为了分析模块化多电平换流器在子模块故障时系统的运行性能,建立了系统在热备用的模式下上、下桥臂不对称运行的数学模型,分析结果表明上、下桥臂不对称运行会增加故障桥臂环流中的基频成分,通过改变故障桥臂子模块的平均开关频率可抑制基频环流。分析了采取容错控制策略后系统性能及所允许的最大故障子模块数量。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所得结论正确性。     

MMC子模块故障下桥臂不对称运行特性分析与故障容错控制

针对基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC),研究子模块故障发生后,桥臂子模块实际运行个数不对称情况下的运行特性,揭示其造成上、下桥臂电容电压基值不对称、各次不对称环流、直流电流波动、交直流侧电压偏置、各桥臂电流直流分量不对称等故障机理。基于平衡上、下桥臂基频电压分量的思想,提出一种具有子模块故障容错能力的环流抑制控制器,其通过在传统二倍频比例谐振环流控制的基础上引入基频谐振控制器,以解决不对称桥臂引起的一系列不平衡问题。基于 PSCAD/ EMTDC搭建双端201电平MMC-HVDC系统,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称模型预测控制EI北大核心CSCD

针对模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统桥臂阻抗不对称运行环流问题,推导了上、下桥臂阻抗不对称运行时子模块输出电压与桥臂电流特性,阐述了此时桥臂电流基频成分,指出了换流器环流成分含有直流分量、基频分量、二倍频分量以及三倍频分量,直流侧电流会产生波动;提出一种MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称环流抑制策略,该策略将比例-积分控制与有限控制集模型预测控制相结合,计算换流器所有开关状态下综合目标函数,根据环流抑制目标函数最小值和环流抑制补偿电平调节综合目标函数最小值对应的开关状态。该控制策略能够很好地抑制环流交流成分,减小了直流侧电流波动,使得桥臂阻抗不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和基频分量、二倍频分量以及三倍频分量对称分布。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称模型预测控制

针对模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统桥臂阻抗不对称运行环流问题,推导了上、下桥臂阻抗不对称运行时子模块输出电压与桥臂电流特性,阐述了此时桥臂电流基频成分,指出了换流器环流成分含有直流分量、基频分量、二倍频分量以及三倍频分量,直流侧电流会产生波动;提出一种MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称环流抑制策略,该策略将比例-积分控制与有限控制集模型预测控制相结合,计算换流器所有开关状态下综合目标函数,根据环流抑制目标函数最小值和环流抑制补偿电平调节综合目标函数最小值对应的开关状态。该控制策略能够很好地抑制环流交流成分,减小了直流侧电流波动,使得桥臂阻抗不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和基频分量、二倍频分量以及三倍频分量对称分布。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

模块化多电平变换器容错运行环流抑制策略

模块化多电平变换器(MMC)采用热备用的容错控制方案时,可实现系统的容错运行。当子模块发生故障时,系统直接旁路故障子模块,变换器运行在上、下桥臂不对称状态。为分析这种状态下MMC系统的工作性能,推导了MMC容错运行工作模式的数学模型,详细分析了桥臂电流以及子模块电容电压的波动情况。分析结果表明:MMC上、下桥臂不对称运行时,故障相间桥臂环流中的基频成分增加,该部分环流会流入直流侧;改变子模块的平均开关频率可抑制不对称运行所引起的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了31电平的MMC模型(其中含6个热备用模块)并进行了仿真,仿真结果验证了所推导结论的正确性。     

故障子模块切除后MMC运行特性分析和直流电流波动抑制

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的桥臂由大量子模块构成,器件故障的可能性很高。切除故障子模块后三相桥臂将处于不对称运行状态,交流相电流在故障相上下桥臂无法平均分配,导致直流电流波动。为此,首先建立子模块故障下MMC等值电路,然后推导分析了桥臂电流和直流电流波动分量和谐波构成。设计了一种新的抑制直流电流波动的控制策略。该策略的核心思想是在故障桥臂电压参考波上附加补偿电压分量。最后通过电磁暂态仿真验证了该方法的有效性与可行性。仿真结果表明:基频和二次谐波是直流电流波动分量的主导成分;应用本策略后,测试算例中直流电流波动分量被抑制到1%以下;电容电压动态修正环节可有效保证子模块投切计算数量与实际需求量一致。     

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。     

考虑桥臂参数不对称和子模块故障的MMC协同控制策略

近年来,模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）受到广泛关注并得到迅速发展,在实际工程中,MMC上、下桥臂参数不可避免地会存在不一致;另外,当MMC桥臂子模块因故障旁路时,会导致6个桥臂子模块数目的不对称,以上两种桥臂不对称现象,均会打破MMC内部原有的能量均衡,同时导致换流器阀侧电流出现直流和2倍频谐波,以及导致直流电流中出现基频和二倍频谐波等问题。为解决以上问题,该文考虑桥臂参数不对称和子模块数目不对称同时存在的复杂工况,提出了MMC协同控制策略,此策略在充分保留子模块电压保护裕度的前提下,即可抑制桥臂参数不对称导致的直流侧/交流侧谐波,又可抑制桥臂子模块数目不对称导致的谐波,有效的改善了MMC交直流输出外特性的性能。最后,搭建了双端MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析及所提策略的有效性。     

桥臂参数不对称MMC的运行与控制

实际工程中,模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)上、下桥臂参数不可避免地会存在一定的差异,从而导致交流侧电流中出现直流和2倍频分量,直流侧电流中出现基频和2倍频振荡分量,以及不同桥臂间电容电压发生不平衡等一系列问题。为解决这些问题,建立了桥臂参数不对称情况下MMC的解耦控制模型,提出了桥臂电流直接控制策略,有效地改善了参数不对称下MMC的电流控制问题。同时,基于子模块级联串能量模型,提出一种有功环流和无功环流相结合的环流注入方法,在实现上、下桥臂电容电压平衡的同时,确保MMC的端口特性不受内部环流的影响。最后,仿真和实验结果验证了理论分析和所提控制策略的有效性。     

基于模块化多电平变换器的静止同步补偿器桥臂不对称及其控制策略

在高压大容量无功补偿领域,采用模块化多电平变换器(MMC)作为静止同步补偿器(STATCOM)主电路拓扑,目前已经在工程上得到了应用。在模块化多电平变换器上、下桥臂参数不对称时,基频交流分量在上、下桥臂之间分配不均,同时桥臂电流中的直流分量和二倍频分量也会流入交流侧。建立了桥臂参数不对称MMC-STATCOM的交流侧和直流侧模型,分析了不同频率下等效电路中桥臂不对称对稳态电流的影响,提出了抑制基频共模分量及二倍频共模分量并维持上、下桥臂直流电压稳态平衡的控制策略。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。     

MMC桥臂不对称运行特性分析及子模块故障下的控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的一种常见故障类型,故障子模块被旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为确保MMC在该状态下的稳定运行,对MMC桥臂不对称运行特性进行了详细的理论分析,提出了一套完整的子模块故障下的控制策略,包括基于电容比较的故障子模块定位方法及基于准比例谐振控制器的基频环流抑制方法;并在PSCAD/EMTDC软件环境下搭建了21电平MMC-HVDC仿真系统,对理论分析及子模块故障下的控制策略进行了仿真验证。结果表明:在不对称运行状态下,交流相电流基频分量在上下桥臂中不再平均分配,并且环流中将出现不对称的基频分量及三倍频分量,原有二倍频分量也略有增加;在提出的故障控制策略下,子模块定位方法能在一个周期内同时定位到多个故障子模块,同时基频环流抑制方法能对不对称运行状态下环流的附加分量进行有效抑制。仿真结果与理论分析的结果相符,验证了理论分析的正确性及所提出的故障控制策略的有效性。     

基于桥臂能量预测的模块化多电平换流器子模块故障优化容错控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(MMC)常见的一种故障类型,将故障子模块旁路后,MMC将处于桥臂不对称运行状态。为使MMC系统在子模块旁路后依然能维持稳定运行,提出一种基于桥臂能量预测的MMC子模块故障容错控制策略。首先对各时刻桥臂子模块储存的能量进行动态预测,进而求得各时刻子模块电容电压的预测值,在不用附加环流抑制控制器情况下,实现对环流中不对称基频和二倍频谐波分量的有效抑制。该策略简化了系统控制的复杂度,既适用于桥臂子模块数不对称的运行状态也适用于正常运行状态。厦门柔性直流示范工程的电磁暂态仿真结果验证了所提出的容错优化控制策略的正确性。     

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。     

模块化多电平换流器子模块故障时中性点移位容错控制策略

模块化多电平换流器(MMC)发生子模块故障后,由于桥臂子模块数目的改变,将使故障相的相电压输出能力发生改变,导致三相输出不对称。针对MMC子模块故障下容错控制问题,以保证子模块故障后线电压平衡为控制目标,提出了一种MMC中性点移位控制(NPSC)容错控制策略。其通过修正故障后各相调制波控制中性点在故障相的相电压矢量方向上进行移位,在完成子模块故障容错运行的同时简化了传统中心点偏移控制算法的复杂程度,易于实现。同时,文中分析了NPSC下对MMC系统运行的影响,指出了该种控制方式下桥臂电流工频分量与直流分量的分配特性。最后,通过仿真与实验进行验证,表明了理论分析与该容错控制策略的有效性。     

模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略

阐述了模块化多电平换流器(MMC)子模块故障类型,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块故障、直流电容故障和控制信号故障。分析比较了3种子模块冗余容错方案的优缺点,选择采用对MMC影响较小的子模块热备用的冗余容错方案。该方案的缺点是MMC运行于不对称状态,导致MMC直流电流出现波动。为此,在推导MMC冗余运行状态的基本数学模型、得出桥臂能量数学表达式的基础上,提出了基于桥臂能量平衡的冗余容错控制策略来抑制直流电流的波动。在时域仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了61电平MMC模型,仿真结果验证了提出的冗余容错控制策略的有效性。     

MMC子模块故障下能量再平衡控制与安全运行域分析

模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电领域得到了广泛的应用。在高压大功率场合,MMC的子模块数量庞大,子模块故障是一种常见的故障类型。为了提高可靠性,通常MMC每个桥臂上均设置一定数量的冗余子模块。然而,当MMC发生不对称子模块故障时,直流电流中会出现基频波动,影响MMC的运行性能。针对上、下桥臂同时存在故障子模块的工况,分析了MMC桥臂间能量平衡的条件。据此,提出了一种能量再平衡控制策略,以抑制直流电流中的基频波动。与传统控制策略相比,在额定冗余运行域内,所提控制策略无需提高子模块电容电压。分析了采用所提控制策略时MMC的最大安全运行域,结果表明所提控制策略能扩展MMC的安全运行域,进一步提高其可靠性。±350 k V/1 000 MW的MMC硬件在环实验结果验证了所提能量再平衡控制策略的有效性以及安全运行域分析的正确性。     

模块化多电平换流器桥臂不平衡运行特性及冗余保护策略

当模块化多电平换流器发生子模块故障时,换流器将运行在桥臂不对称的状态,会引发基频环流增大等一系列问题,进而影响换流器的运行特性。为此,综合考虑冗余子模块以及桥臂不对称运行的影响,对柔性直流系统数学模型、子模块开关函数以及环流产生机理进行了深入分析。在此基础上,提出了改进的换流器冗余保护策略。与传统策略不同,该策略在子模块故障发生后,无需切除非故障桥臂子模块,通过调整子模块电压基值降低桥臂不对称度。在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了双端直流输电系统模型并进行了仿真验证,仿真结果证明所提出的策略可使换流器在桥臂不平衡状态下保持良好的运行特性,增强了换流器抵御子模块故障的能力。     

模块化多电平换流器桥臂不平衡运行特性及冗余保护策略北大核心

当模块化多电平换流器发生子模块故障时,换流器将运行在桥臂不对称的状态,会引发基频环流增大等一系列问题,进而影响换流器的运行特性。为此,综合考虑冗余子模块以及桥臂不对称运行的影响,对柔性直流系统数学模型、子模块开关函数以及环流产生机理进行了深入分析。在此基础上,提出了改进的换流器冗余保护策略。与传统策略不同,该策略在子模块故障发生后,无需切除非故障桥臂子模块,通过调整子模块电压基值降低桥臂不对称度。在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了双端直流输电系统模型并进行了仿真验证,仿真结果证明所提出的策略可使换流器在桥臂不平衡状态下保持良好的运行特性,增强了换流器抵御子模块故障的能力。     

非对称桥臂阻抗条件下MMC的控制策略

对模块化多电平变换器(MMC)在非对称桥臂阻抗条件下的运行进行了分析,并设计了对应控制策略。不同于MMC的对称运行,在非对称条件下,基频交流电流将在上、下桥臂分配不均,同时共模电流中的直流和倍频分量也将流入交流侧。为此,引入了不同频率的等效电路进行了分析,提出3个控制目标后设计了控制器以控制差模电流、共模电流和功率平衡。最后,通过仿真和试验对控制方案进行了试验验证。