模块化多电平换流器

基于阻抗分析方法，以模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）环流控制为研究重点，对海上风电经柔直送出系统的稳定性影响展开深入研究。首先，采用谐波线性化的方法建立了柔直换流站与海上风电场的阻抗模型，进而推导了计及频率耦合效应的海上风电经柔直送出系统的阻抗模型。其次，基于阻抗稳定判据，揭示了环流控制对MMC阻抗及柔直送出系统稳定性的影响，进而提出了一种基于环流环节的MMC阻抗重塑控制方案。最后，通过RT-LAB硬件在环实时仿真系统，验证了稳定性分析结果的正确性和阻抗塑造方案的可行性。

针对限流电抗器安装在换流站出口，基于线路边界元件特性的多端柔直电网线路保护难以适用的问题，提出了基于换流站不同出线低频暂态能量比值的多端柔直电网线路保护方案。首先，通过分析故障后模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)在直流侧呈现的阻抗频率特性，推导出实际频率大于谐振频率时MMC等效阻抗呈感性。然后，通过分析母线处电压行波折射系数的幅频特性可知，折射过程会对故障电压行波中的低频分量具有较明显的衰减作用，并以此为依据分析区内外故障时线路两侧换流站不同出线低频暂态能量比值的差异，可利用此差异识别故障。最后，PSCAD/EMTDC的仿真结果表明，所提保护方案能够可靠识别故障，不依赖线路边界元件，且具有一定的耐过渡电阻能力。

柔性直流电网故障电流上升速度快与电力电子器件过流能力弱形成突出矛盾，线路保护需要在数毫秒级完成故障判别，输电线路精确参数的获取对于提升继电保护的性能至关重要。然而直流系统中缺乏稳定基频，导致输电线路相关参数难以获取、保护实现较为困难。针对柔性直流线路频变参数难以获取的问题，提出基于半桥模块化多电平换流器(half bridge modular multilevel converter, HB-MMC)特征信号注入的柔性直流线路频变参数辨识方法。首先通过换流器控制在线路中注入特定频率信号，然后利用快速傅里叶分解提取不同频率的信号并计算指定频率下的线路参数，最后依据不同线路参数的频变特性拟合出对应的幅频特性曲线。仿真表明，所提参数辨识方法可以准确拟合保护所需直流线路频变参数，参数辨识频段内相对误差小于1.5%。

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的柔性直流配电网具有不存在换相失败等优点。但换流器存在低惯性、弱阻尼等特性，导致故障电流上升速度快且峰值高，对系统危害极大。针对直流配电网发生单极接地故障难以准确选择故障馈线的问题，提出了一种基于拐点密集区凹凸波动特性的直流配网故障检测方法。首先，利用变分模态分解算法对各馈线零模电流进行分解，选取特征分量。然后，计算特征分量的二阶导数，选择拐点密集区并进行归一化处理，得到各馈线的凹凸波动性。最后，判定凹凸波动性与其他馈线相异的线路为故障线路。仿真结果表明，所提方法能够快速识别故障馈线，且受过渡电阻、采样频率、数据窗和噪声等因素影响小。

交流电网不对称故障工况下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)存在相功率不均衡的问题，常规的基于直流环流注入的调控方法会引起桥臂电流不对称，导致各相电流应力不相等；而基于零序电压注入的方法可能导致系统过调制，危害系统安全稳定运行。针对传统相功率均衡控制策略的局限性，提出一种交流电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略。首先，分析基于零序电压和直流环流注入的MMC相间功率调控原理，指出不同方法单独进行相间功率均衡的局限性。其次，研究零序电压注入方法的过调制边界，引入相功率分配系数，给出不同故障下相功率系数优化方法，提出基于零序电压和直流环流注入协调的MMC自适应相功率均衡控制策略。最后，通过仿真验证了机理分析与所提控制策略的正确性和有效性。

基于MMC（模块化多电平换流器）的高压直流输电广泛应用于大规模新能源外送，然而MMC控制器的惯性滞后特性可能带来小信号稳定性问题。首先，分析同步发电机的机械惯性，类比提出适用于MMC控制器的惯性二阶统一表达式。然后，基于MMC闭环控制器的动态特性和惯性滞后特性，提出连接弱电网的MMC控制器的小信号稳定性判据。最后，通过对双侧MMC并网系统的仿真分析，验证了所提稳定性判据的正确性。

提高基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的分布式储能系统(distributed energy storage systems, DESS)的能量利用率，解决储能子模块(energy sub-module, ESM)荷电状态(state of charge, SOC)均衡问题至关重要。针对现有的SOC均衡控制策略的不足，提出内外分层的快速SOC均衡控制策略。外层针对桥臂间或相间的SOC差异，通过改进MMC模型预测控制(model predictive predictive control, MPC)，配合自适应均衡系数，快速调整功率差额。内层引入自适应虚拟电阻法，根据ESM的SOC情况确定主导ESM，自适应调节各单元的虚拟电阻，产生相应的电压梯度，结合MMC排序算法使ESM按照各自SOC进行功率分配，从而实现ESM的SOC快速均衡，提高DESS能量利用率。通过在Matlab/Simulink构建仿真模型，证明了所提控制策略的有效性和可行性。

MMC（模块化多电平换流器）包含了大量的开关元件，给电磁暂态仿真带来了很大的计算负担。针对该问题，提出了一种基于桥臂等效电容的全桥子模块型MMC快速仿真方法。提出了正常工作、闭锁和全状态的桥臂等效电路建模方法，开发了一种精确仿真全桥MMC电磁暂态响应的仿真模型。在PSCAD/EMTDC平台搭建了两端MMC直流电网测试系统验证其可行性，同时将模型和戴维南等效模型进行对比，结果验证了所提全桥子模块型MMC快速仿真方法的精确性和快速性。

为满足大规模纯新能源发电基地送出需求，经过拓扑比选，选取在送端采用电网换相换流器（LCC）与模块化多电平换流器（MMC）混合级联拓扑、受端采用二极管-模块化多电平换流器（D-MMC）拓扑的混合式直流输电方案。其中，由整流站MMC提供送端交流电压支撑，并与LCC配合作为送出功率平衡中转站。随后，设计系统的基本控制和故障穿越策略，使系统能够稳定送出新能源功率且兼具经济性与故障穿越能力。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建±800 kV/5000 MW双极直流输电仿真模型，验证所提控制与故障穿越策略的有效性，结果表明：所选拓扑适用于大规模纯新能源发电基地送出场景。

为满足储能系统提供惯量和一次调频支撑功能需要对多类型储能介质集中配置和优化调控的需求，针对基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的新型混合储能系统（hybrid energy storage system，HESS）MMC-HESS，提出了混合同步控制（hybrid synchronous control，HSC）整体策略。MMC-HESS采用模块化设计，将超级电容和蓄电池分别安置在高压直流母线侧和子模块内，具备高功率密度和高能量密度的优势。阐述了混合储能系统的拓扑结构和工作原理并采用混合同步控制策略提供系统惯量和一次调频功能及故障限流时的同步能力和孤岛并网切换功能，采用滤波器实现储能功率分配，采用荷电状态（state of charge，SOC）均衡控制实现蓄电池能量均衡。最后，基于硬件在环实验平台，验证了所提拓扑结构与控制策略的可行性和有效性。实验结果表明：所提混合储能系统及其控制策略具备惯量与频率支撑能力，在故障限流、正常并网、孤岛运行之间可灵活切换，能够有效发挥混合储能的综合优势，在中压配电网中具有良好的应用前景。