基于MMC的三端柔性直流输电系统建模与仿真

研究了MMC的电路拓扑结构、运行特性以及充电原理,在PSCAD仿真平台上搭建了MMC在三端柔性直流输电系统中的模型。该三端系统由两个送端一个受端组成。两个送端均采用定有功功率和定交流电压的控制方式,受端采用定直流电压和定交流电压的控制方式。系统级控制器采用直流电压偏差控制。每个换流站都采用最近电平逼近调制方法控制模块投入与切除,采用排序的平衡控制原理均衡各子模块电容电压。对直流侧单极母线进行了接地故障仿真,并分析了对系统运行的影响。仿真结果同时验证了该模型的正确性,MMC能在三端柔性直流输电系统中稳定运行,各子模块电压波动较小,有功、无功控制量均能跟随控制目标,该模型所采用的控制策略的性能良好。     

一种提高MMC交流电压鲁棒性的改进调制策略

柔性直流输电技术被认为是目前应用于新能源大规模接入的较好解决方案,且可接入弱交流系统。柔性直流输电工程大多基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),工程中MMC采用最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略。在系统发生扰动或故障使得直流电压波动时,采用传统NLM调制策略的MMC换流器输出的交流电压稳定性较差。该文分析了传统NLM调制策略存在以上缺陷的原因,并针对该原因,提出了一种考虑子模块电容电压实际值的改进调制策略,从而使MMC输出的交流电压在系统扰动时具有较好的鲁棒性。通过在PSCAD/EMTDC中搭建电磁暂态模型并进行仿真分析,验证了该文提出的改进调制策略可以有效提升MMC换流器输出交流电压的鲁棒性。     

三端混合直流输电实验平台控制参考值变化斜率优化研究

文中主要对结合电网换相换流和模块化多电平换流两种换流技术的优点的三端混合直流输电系统进行研究。由于调节9电平模块化多电平换流器（MMC）控制器的定功率值时，直流电压会出现一个瞬时增大或减小的值；调节25电平MMC控制器定电压值时，该支路交流电流会出现一个瞬时增大或减小的值；当调节控制器的值越快时，冲击量的峰值将会越大：因此通过爬坡实验，找到9电平MMC功率参考值Pref以及25电平MMC电压参考值Vref合适的斜率，使系统既有较快的响应速度，又不会因直流电压/交流电流的冲击过大而发生跳闸。分别通过仿真和实验验证，最终得到所搭建设备Pref的极限斜率为24 kW/s，Vref的极限斜率为1000 V/s，实验结果和仿真结果一致。     

海上风力发电MMC-HVDC控制策略研究

对于海上风电场模块化多电平换流器型柔性直流输电(MMC-HVDC)的并网系统,首先介绍了MMCHVDC的基本原理,并分析了MMC的拓扑结构、数学模型及简化等效模型。然后,基于等效模型设计了MMCHVDC换流站的双闭环控制策略,送端换流站MMC1外环采用定直流电压和定无功功率控制,受端换流站MMC2采用定有功功率和定无功功率控制;内环均采用有功、无功功率解耦控制。最后利用Matlab/Simulink搭建仿真实验模型,仿真结果表明:所设计的MMC-HVDC控制策略实现了有功与无功的完全解耦,MMC1与MMC2的控制策略相互独立,影响较小,并且具有很好的动态响应特性。     

一种组合换流器内部直流电压均衡控制方法

模块化多电平换流器(MMC)适用于高压大容量柔性直流输电系统,采用基于MMC的组合换流器拓扑是提升直流输电电压等级和容量的有效手段之一。首先,分析了组合换流器的拓扑和稳态基本控制策略,以及系统直流电压扰动时各换流单元的能量和电压变化趋势,指出其稳态运行时存在串联换流单元电压不均衡问题;然后,提出在定功率站附加电压均衡控制策略,即在有功控制通道上叠加一个均压控制量,以实现换流器内部直流电压的均衡控制和功率均分。最后,在PSCAD/EMTDC环境下搭建基于MMC换流单元的组合换流器双端直流系统仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

MMC柔性直流换流站无功级联控制策略

模块化多电平换流器(MMC)可独立解耦调节有功、无功功率,使得柔性直流换流站具有在交流系统电压跌落工况下提供无功支撑的潜能。提出了MMC柔性直流换流站无功级联的控制策略,即将定交流电压控制和定无功控制级联,其中定交流电压控制包括桥臂电流辅助控制环节,并在故障清除后瞬间进行积分环节清零重置控制。以中国张北±500 kV四端柔性直流电网工程为例进行了仿真验证,结果表明相对于传统的定无功或定交流电压控制方式,柔性直流换流站无功级联控制方式可以兼顾电网稳态无功调节和暂态无功支撑等需求,快速平稳地输出无功功率,能在保证MMC设备安全的前提下提供暂态无功支撑,并缓解故障清除瞬间可能发生的暂态交流过电压。     

LCC-MMC混合三端直流输电系统送端交流故障下的不间断运行协调控制策略

为实现基于电网换相换流器与模块化多电平换流器（LCC-MMC）的混合三端直流输电系统送端交流故障下的直流低电压穿越,提出兼顾传输容量与响应速度的自适应电压协调控制策略及有功功率分配策略。在维持故障期间功率续传的前提下,定量分析了模块化多电平换流器（MMC）的降压值以减少传输功率的绝对值损失量,并设计MMC根据本地直流电流偏差快速减投子模块总数的降压方式;考虑到半桥型MMC的调制比约束,设计正极MMC定量吸收无功功率与负极MMC动态调整交流电压参考值的换流站极间协同控制策略;同时,为抑制从站的过电流及避免送端严重交流故障时主站的潮流反转,提出各受端换流站有功功率自适应调整的控制方式。最后通过对输电系统送端交流电压跌落不同幅度时的故障穿越效果进行仿真分析,验证了所提控制策略的有效性。     

VSC-HVDC恒容阻尼控制器设计EI北大核心CSCD

针对含柔性直流输电的区域互联系统区间低频振荡问题,基于暂态能量原理提出一种维持换流器传输容量恒定的柔性直流恒容阻尼控制思想,同时利用换流站有功及无功,弥补了柔性直流输电系统有功调制量受限的缺点。首先,根据系统阻尼消耗的暂态能量推导出有功和无功调制与系统阻尼间的相互关系;然后根据有功、无功的控制规律提出恒容阻尼控制设想并设计出恒容控制器参数;最后,与传统极点配置的小信号阻尼控制器进行对比仿真分析。仿真结果表明恒容阻尼控制器能有效抑制区域间低频振荡,具有较强的鲁棒性,能在保持换流站输送容量恒定的同时,充分利用换流站有功和无功调制能力,有效解决常规阻尼控制方式下有功调制量受限问题。     

VSC-HVDC恒容阻尼控制器设计

针对含柔性直流输电的区域互联系统区间低频振荡问题,基于暂态能量原理提出一种维持换流器传输容量恒定的柔性直流恒容阻尼控制思想,同时利用换流站有功及无功,弥补了柔性直流输电系统有功调制量受限的缺点。首先,根据系统阻尼消耗的暂态能量推导出有功和无功调制与系统阻尼间的相互关系;然后根据有功、无功的控制规律提出恒容阻尼控制设想并设计出恒容控制器参数;最后,与传统极点配置的小信号阻尼控制器进行对比仿真分析。仿真结果表明恒容阻尼控制器能有效抑制区域间低频振荡,具有较强的鲁棒性,能在保持换流站输送容量恒定的同时,充分利用换流站有功和无功调制能力,有效解决常规阻尼控制方式下有功调制量受限问题。     

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。     

青藏柔性直流输电系统控制策略仿真研究

青藏联网工程是传统直流输电,其换流器只有一个控制自由度,不能独立调节有功和无功,当系统的稳定性受到影响时,对无功功率和有功功率的调节效果不能做到优化调节。为此,提出基于功率解耦的青藏柔性直流输电系统控制策略,并在PSCAD/EMTDC中搭建了真双极的青藏柔性直流输电系统模型,对潮流翻转、直流电压阶跃、交流电压阶跃、有功功率阶跃等典型工况进行了仿真研究。结果表明,基于功率解耦的青藏柔性直流输电系统控制策略在实际工程中具有一定的适用性。     

VSC-HVDC输电系统模式切换控制策略

分析了基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电系统在定直流电压控制端交流电网故障下的模式切换控制策略,提出了基于滞环和本地直流电压检测的模式切换控制,并给出了该控制的实现方法。推导了正常运行时VSC-HVDC输电系统直流功率与两侧换流器直流电压的关系式,给出了定有功功率控制端的直流电压正常工作范围的计算方法,提出了模式切换控制策略中直流电压阈值和故障穿越期间直流电压参考值的确定方法。最后,PSCAD/EMTDC仿真验证了在不同故障类型和不同运行方式下VSC-HVDC输电系统模式切换控制策略的有效性;仿真结果表明,该直流电压阈值和参考值的确定方法能够为模式切换控制策略的指令值整定与配合提供可靠参考。     

柔性直流输电系统换流器损耗与电压等级的关系研究

柔性直流输电一般采用模块化多电平换流器（MMC）,换流器损耗是衡量柔性直流输电系统的重要指标之一。推导了MMC子模块的通态损耗解析表达式、开关损耗解析表达式。从表达式可以看出,换流器损耗不仅与MMC子模块数量有关,还与柔性直流输电系统的容量、电压等级有关。详细分析了柔性直流输电系统容量与电压等级对换流器损耗的影响规律,得出了保证损耗最低的换流器输电电压等级的选取方式。仿真算例表明,采用所提方法确定的电压等级可以保证MMC换流器具有更低的损耗。     

MMC型柔性直流输电系统起动电阻器的选择研究

随着对直流输电灵活控制的要求的增加,大量以模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构换流器的柔性直流输电工程投入建设及运行。国家"863"计划项目南方电网南澳多端柔性直流输电工程云南鲁西背靠背柔性直流输电工程,其换流器设备都是采用目前较为先进的MMC拓扑结构。而作为换流器起动前的预充电过程也得到了广泛的研究,而采用充电电阻的不控充电方式得到了大量柔直工程的青睐。本文研究了MMC换流器起动前的预充电过程,采用PSCAD仿真软件,结合某国外柔直项目工程设计参数,搭建了整体的系统模型,根据不控充电的方式搭建了充电电阻的模型,通过仿真结果给出了起动电阻的选择建议,并阐述了通过仿真的手段对柔直项目充电起动电阻器的选择的指导意义。     

基于模块化多电平变换器的高压直流输电故障特性与控制保护

风电并网基于模块化多电平变换器的高压直流输电(MMC-HVDC)交流电网侧发生短路故障,故障点交流电压的降低会使受端系统传输有功功率的能力下降,而风场侧功率传输基本不受影响,送端和受端有功功率出现差额,直流系统电压将持续上升,威胁系统安全.此外,如果MMC中部分子模块发生故障将导致换流器不能正常工作.为此,首先提出了可在直流侧并联安装采用统一控制的分散式小型卸荷负载来消耗直流系统无法消除的功率差额,从而维持直流系统电压的恒定;其次研究分析了换流器子模块故障特性,并提出了一种换流器子模块故障冗余保护策略.基于PSCAD/EMTDC仿真验证,通过将多余的能量消耗在分散式小型卸荷负载上,有效地抑制了直流过电压,保证整个柔性直流输电系统在故障期间短时运行,最大限度地保持功率的传输;采用子模块冗余保护策略可使换流器具有一定的故障容错能力,不因一个或少数几个子模块的故障影响整个装置的运行,提高了系统可靠性.     

MMC型柔性直流输电系统无源网络供电的直接电压控制

介绍了向无源网络供电的模块化多电平换流器(MMC)型电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)的系统结构和工作原理,引入了MMC的数学模型。提出了MMC无源逆变的直接电压控制策略,其中电压幅值控制由参考信号的直馈和负反馈PI补偿来实现,频率控制通过给定调制信号频率来实现,保证了良好的供电质量。在PSCAD/EMTDC中搭建了向无源网络供电的MMC型VSC-HVDC仿真系统,对有功和无功负荷变化以及交流电压降低等工况进行了仿真研究。仿真结果表明所设计的无源逆变控制器可以向无源网络提供高质量的电能。     

大规模风电接入的特高压混合级联直流系统送端无功协调控制策略

随着新能源发电占比的不断提高,特高压直流输电系统的送端电网强度变弱,送端交流系统可能存在电压质量较差的问题。为提高送端弱交流系统的电压质量,基于大规模风电接入的特高压混合级联直流系统,提出了滤波器与模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)协调参与送端电网调压的无功协调控制策略。分别分析了该级联直流系统的运行特性、滤波器的无功控制原理以及MMC在不同运行工况下影响其无功支撑能力的因素。针对MMC在过载的运行工况下对弱交流系统无功支撑能力较弱的问题,提出了一种MMC直流电压自适应控制策略,根据MMC传输的有功功率调整其直流电压,以扩大MMC的无功功率极限。仿真算例表明,所提无功协调控制策略能够有效支撑送端弱交流系统的电压,提高送端交流系统的电压质量。     

模块化多电平换流器交流故障穿越试验研究

针对模块化多电平换流器(MMC),研究了基于a,b,c坐标系的三相瞬时电流直接控制策略,建立了MMC瞬时电流直接控制方法。通过基于MMC的直流输电小容量试验样机,对MMC在各种交流电网故障情况下动态电流控制特性和故障穿越特性进行试验研究。结果表明,采用三相瞬时电流直接控制方法时,MMC在暂态过程中对电流控制性能良好,能顺利穿越交流电网故障,在故障期间维持有功功率传输,并提供动态无功支撑。     

MMC不完整运行方式的有功功率传输研究

针对柔性直流输电(voltage source converter–high voltage direct current,VSC-HVDC)模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)桥臂发生故障停运和不完整运行工况下无法传输有功功率的问题,首先介绍MMC不完整运行无功传输原理;然后,分析MMC不完整运行方式有功功率传输的可能性;进而提出MMC不完整运行方式的有功功率传输控制方法,并研究不完整运行方式下的组合种类、功率运行区间和有功功率波动特性,归纳MMC不完整运行有功功率传输条件;最后,在MATLAB软件平台中搭建柔性直流系统模型,验证了所提出的不完整运行有功功率传输策略的正确性。     

受端多落点级联型混合直流输电系统协调控制策略

针对受端多落点级联型混合直流输电系统发生交直流故障时,电流分配不平衡导致的功率反送、系统稳定性降低等问题开展研究,并提出改善系统稳定性的协调控制策略.该策略在发生故障时根据线路传输功率、逆变侧电网换相型换流器(LCC)输出功率以及采用定直流电压控制的模块化多电平换流器(MMC)稳态输出功率,对MMC的有功功率指令值进行调控,避免采用定直流电压控制的MMC由逆变改为整流,防止受端交流侧功率大范围转移现象的发生.同时在故障清除后仍可缓解系统恢复过程波动较大的问题,使系统能够快速平稳地恢复至额定运行状态.基于PSCAD/EMTDC建立仿真模型,仿真结果验证了所提协调控制策略可有效减小电压和功率的波动,系统在交、直流典型故障下均能实现平稳过渡,提升了受端系统的稳定性.