模块化多电平变流器的低频控制策略EI北大核心CSCD

为了研究模块化多电平(MMC)低频电容电压波动的问题,提出了一种MMC低频运行控制策略。首先,建立了MMC的数学模型,从能量流动的角度研究了MMC的电容电压波动情况,指出桥臂能量偏差与系统的运行频率呈反比,致使系统在低频下无法正常运行。针对这一问题,提出了一种在桥臂环流和输出电压中加入高频方波分量的方法来抑制电容电压的波动,确保MMC桥臂能量的平衡。理论分析结果表明,相比于加入高频正弦分量的方法,采用该方法得到的桥臂环流的峰值降低了50%。最后采用上述方法进行了阻感和电机实验,结果表明,模块电压波动得到了有效抑制,电机低频调速性能良好,证明了所提出的控制方法的有效性。     

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。     

模块化多电平换流器操作过电压分析EI北大核心CSCD

模块化多电平换流器(MMC)是高压大容量柔性直流(VSC-HVDC)输电工程的核心,换流器设备的参数设计和型式试验需要基于其暂态过电压的分析结果。为此,提出了模块化多电平换流器的操作过电压计算模型。基于±500 k V柔性直流输电工程的系统参数,研究了模块化多电平换流器设备的设计参数对操作过电压的影响,包括避雷器、桥臂电抗器和子模块储能电容器。结果表明:对于模块化多电平换流器,操作过电压分析中起决定作用的故障工况是换流器交流出口单相接地故障、换流器直流出口单极接地故障、和换流器交流出口相间短路故障;避雷器的荷电率增加时,模块化多电平换流器交流侧相对地、直流侧极对地和桥臂端间的最大操作过电压幅值降低;桥臂电抗器的电感值增加时,模块化多电平换流器的交流侧相对地最大操作过电压幅值降低;子模块储能电容器的电容值增加时,模块化多电平换流器直流侧极对地最大操作过电压幅值增加。研究结果可为柔性直流输电工程换流器的设计和试验提供参考。     

MMC阀塔水路对子模块静态均压影响分析

模块化多电平换流器(MMC)预充电和阀端交直流电压试验都有静态均压过程,MMC子模块自均压,不投入主动均压策略。在静态均压过程中,发现MMC阀塔不同位置子模块的电容电压两极分化明显,严重影响子模块的正常工作。此处通过引入阀塔水路相关参数,分析了MMC阀塔水路对子模块静态均压的影响机理,建立MMC阀塔仿真模型,对影响子模块静态均压的阀塔水路因素进行了仿真分析,并开展试验,测试了阀塔水路对子模块静态均压的影响情况,仿真结果和试验结果验证了阀塔水路对子模块静态均压有较大影响。     

MMC换流器虚拟子模块分层逆向模型预测控制

传统有限集模型预测控制应用于MMC系统时存在权重因子难以精确计算,运算负荷过大等问题.文中提出一种分层逆向模型预测控制方法,通过逆向预测网侧电压以及桥臂不平衡压降计算最优导通子模块个数,实现交流电流控制和环流抑制.无需计算系统全部子模块投切状态省去权重因子设计过程降低循环预测次数,提高了控制器的动态性能.同时运用改进的...     

MMC谐波性能优化双级模型预测控制

模块化多电平换流器(MMC)采用模型预测控制(MPC)可实现多目标多约束协调控制,但计算复杂度高,同时存在不期望的开关动作使得输出谐波含量较多.为解决这个问题,提出了一种谐波性能改进的MMC双级MPC策略.在双级MPC方案中,与电压矢量相关联的第1级中处理主要控制目标,而在与子模块(SM)相关联的第2级中处理次要控制目...     

面向低频海上风电送出的模块化多电平矩阵变换器综合解耦控制策略EI北大核心CSCD

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)用于海上风电低频输电系统(low frequency transmission system,LFTS)是具有广阔应用前景的新方案。M3C双频功率耦合对其9个桥臂直流侧电容电压的均衡控制及故障穿越带来挑战和困难。为此,提出基于桥臂双重低频环流注入法的新型M3C综合解耦控制策略。首先,对M3C工、低频侧进行数学建模并分析其功率运行范围。基于桥臂工、低频共模和差模回路的分析及桥臂功率平衡原则,提出实现工、低频侧输入及双重低频环流注入的M3C解耦控制策略。使用开环和闭环低频环流注入两种联合控制,在实现M3C各子变流器相间功率快速均衡的同时,确保工频侧输入电流的完全正序特性。通过带延时补偿的复矢量控制器,在静止坐标系统实现9个桥臂的完全独立控制,搭建35kV/11MW海上风电系统PSCAD模型,通过稳态、动态及暂态仿真全面验证所提综合控制策略的有效性和正确性。     

基于连续控制集模型预测控制的MMC桥臂电流控制策略

模块化多电平变换器(MMC)的桥臂电流控制方法可同时实现交流侧电流控制和环流抑制。连续控制集模型预测控制(CCS-MPC)是一种时域内基于模型的最优控制方法,动态响应快,可以实现多频带复合信号的准确跟踪。提出一种基于CCS-MPC的桥臂电流控制方法,通过设计模型预测控制(MPC)控制器同时实现桥臂电流直流分量、基频交流分量的准确跟踪和倍频环流的抑制,克服了传统分频控制策略在暂态期间不同控制器相互影响的问题,无须对各个频率信号单独设计控制器,简化控制结构。在此基础上,提出了包含桥臂电流指令值计算、基于MPC的桥臂电流控制和子模块电容电压均压控制的MMC综合控制策略。最后,在MATLAB/Simulink中搭建三相MMC仿真模型,验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

优化模型预测控制与级联控制策略下MMC运行特性对比

对于模块化多电平换流器,模型预测控制具有预测状态多,计算量庞大,现有处理器无法实现的缺点。为此,结合子模块电容电压排序算法,提出一种优化的模型预测控制策略,大幅减小了模型预测控制算法的计算量,使得该算法应用于模块化多电平换流器成为现实。搭建了23电平模块化多电平换流器仿真与实验平台,并与目前常用的基于比例积分(proportion integration,PI)级联控制器的闭环矢量控制策略进行了对比,结果验证了所提策略的可行性与优越性。     

联接低惯量交流系统的MMC与发电机之间的低频交互振荡模式研究EI北大核心CSCD

当模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)联接低惯量交流系统时,MMC控制系统很可能会与发电机控制系统产生交互作用,使系统发生低频振荡。该文首先建立连接发电机组的MMC系统的详细小信号模型,并与PSCAD/EMTDC中的电磁暂态模型进行对比,验证所建立小信号模型的准确性。然后,研究交流系统惯量对系统稳定性的影响,识别系统的主导低频模态,并分析主导低频模态的影响因素。之后,通过计算控制参数的可行域研究发电机与MMC控制参数之间的交互作用,并通过分析系统频率扰动信号的传递路径,揭示联接低惯量交流系统的MMC与发电机之间主要存在的两条交互作用路径,即发电机调速系统与MMC控制系统间的交互路径及发电机励磁系统与MMC控制系统间的交互路径,最后通过电磁暂态仿真验证理论分析的正确性。     

采用桥臂电抗投切控制的MMC降电容运行方法

随着柔性直流输电技术的发展,换流阀轻型化的需求日益迫切,对子模块电容电压纹波幅值的要求决定了电容值的降低比较困难,是影响换流阀轻型化的关键因素之一。根据基频、二倍频分量在子模块电容电压波动中占主导的特点,提出一种通过控制桥臂电抗值的方式降低子模块电容电压波动的策略。设计了桥臂电抗投切电路和投切控制策略,并从数学原理上对比分析了所提策略与现有环流抑制控制策略的不同之处与优势。在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了双端直流输电模型,验证了所提降容策略的有效性。最后从经济性角度对所提策略及现有环流抑制策略进行了对比分析,表明所提策略具有良好的经济性。     

一种适用于MMC的闭环均压控制策略

子模块电压不平衡度和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关频率是模块化多电平换流器(MMC)均压算法的两个重要指标,因两者存在矛盾性一般需要根据系统实际运行情况权衡两者.这里提出了一种在闭环控制子模块均压效果的基础上自动优化开关频率的均压策略.通过分析MMC运行的基本原理,提出对同一桥臂上的子模块根据投入/切除状态进行分组...     

基于MMC的电机驱动新型控制方法

针对电机在低频工况下出现的电容电压波动、桥臂环流等问题,提出了一种无权重系数的模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter ,MMC)驱动模型预测控制策略。在假设子模块(Submodule,SM)电容电压均衡的前提下,建立相电流目标函数并求取最优解,通过引入补偿电平数,实现对环流的优化控制。同时为改善传统排序均压控制算法速度较慢的不足,优化了现有SM电容均压控制策略,引入保持因子,并依据理想情况下MMC的电容电压规律,进行归并排序,保证了MMC中各SM电容电压的均衡。通过仿真验证了所提方法能有效实现对电机的控制。     

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。     

基于电压电平的MMC直接功率预测控制策略

针对模块化多电平变流器（MMC）传统控制复杂的问题,本文提出了一种基于电压电平的MMC直接功率预测控制策略。与预测电流控制器相比,该控制策略的优点是不需要锁相环采集角度信息,能够摆脱旋转变换和内环电流计算。此外,所提控制策略采用三相统一控制,无需逐项控制,简化了控制结构。本文首先建立了MMC的数学模型,接着给出了所提控制策略的设计思路以及控制框图,最后在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证。结果表明：所提策略在降低功率纹波和功率追踪方面具有显著优势,并且在暂态和网侧电感参数失配的情况下,仍能达到良好的控制效果,具有鲁棒性和快速响应能力。     

MMC低桥臂电流峰值控制方法研究EI北大核心CSCD

在模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的传统环流控制策略中,通常将环流抑制为零以降低系统损耗,但合理注入环流能够给系统带来额外的收益。该文探索利用二倍频和四倍频环流注入来减小MMC桥臂电流峰值的方法,并提出两种环流注入策略:其一能够从最大程度上降低桥臂电流的峰值,但会增大子模块电容的容值;另一种策略则兼顾了桥臂电流峰值的降低与电容电压纹波的增加幅度。设计解耦的环流控制策略来提高环流注入的精确性,并从电流应力、功率处理能力及换流站损耗等方面对两种环流注入策略进行分析和比较,给出不同场景下的推荐方案。针对所提策略的仿真与硬件在环实验结果表明,所提策略可将运行在较高功率因数下的MMC桥臂电流峰值减小25%左右,利于其短时间过载运行。     

MMC功率运行区域分析及环流切换控制策略

通过对模块化多电平换流器(MMC)动态特性和控制机理的分析,提出基于系统容量、电容电压波动阈值以及最大瞬时调制比的功率运行区域确定方法,并通过该方法对环流抑制和环流注入控制策略在不同子模块电容配置下的功率运行区域进行了比较分析。该方法可以优化子模块电容参数选取,避免过度冗余设计。此外,提出基于电压预测的环流控制器,使在不同工作点下可根据分析结果直接进行最优环流控制模式切换。对某单一桥臂子模块数为20的MMC系统进行仿真研究,结果验证了所提功率运行区域分析方法及其环流切换控制策略的正确性和有效性。     

考虑MMC主动限流控制影响的直流断路器参数优化方法EI北大核心CSCD

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)成本是制约高压柔性直流系统发展的重要因素之一。为降低直流系统对断路器的要求,文中首先介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)主动限流控制策略,提出状态空间平均模型下的直流短路电流时域解,分析采用主动控制方案改变电容放电状态占空比优化DCCB参数的可行性。提出考虑MMC主动限流控制的混合式DCCB参数的计算方法,分析占空比对DCCB的最大关断电流、机械开关时间、金属氧化物避雷器(metaloxide surge arrester,MOA)吸收能量的影响,设计DCCB的选型优化流程,降低DCCB的成本。最后,通过仿真和实验验证理论分析的合理性。     

基于变载波频率的MMC损耗平衡控制策略

模块化多电平换流器(MMC)拓扑是中高压、大功率应用中最有吸引力的拓扑之一。MMC内部包含大量子模块(SM),每个SM都是一个潜在的故障点,SM发生故障被旁路后,将会导致故障桥臂剩余SM电容电压升高,损耗增大,引发MMC桥臂间损耗不均衡现象,危害MMC的可靠性。此处针对SM故障情况,提出一种基于变载波频率的MMC损耗平衡控制策略,根据故障桥臂和健康桥臂SM平均损耗的偏差实时调节故障桥臂SM的载波频率,以调节故障桥臂SM的开关损耗,从而实现故障桥臂和健康桥臂SM间的损耗平衡。与常规方法相比,所提方法不增加额外的建设成本,控制算法简单且不影响输出电能质量。仿真和实验结果表明,此处提出的MMC损耗平衡策略能够有效实现故障桥臂和健康桥臂的损耗平衡。     

基于附加电平MPC的MMC环流抑制与子模块双重均压控制

针对模块化多电平变换器的相间环流与子模块电压波动问题,提出了基于附加电平模型预测控制的环流抑制策略,利用附加的补偿电平实现总子模块数的实时更新,达到环流抑制目的;同时,将相间均压与相内子模块均衡作为子模块的第一重均压控制,再将所投入的子模块电压排序处理构成第二重均压控制。通过分析模块化多电平变换器的桥臂环流与桥臂电压之间的关系以及子模块电压波动的弊端,提出了环流抑制与子模块均压控制策略。最后,在Matlab/Simulink中搭建了31电平的模块化多电平变换器系统仿真模型,验证了所提策略的可行性与有效性。