模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行解析和控制技術(shù)研究.pdf

1、模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)作為新一代柔性直流輸電技術(shù)的核心設(shè)備，在新能源并網(wǎng)、電力系統(tǒng)互聯(lián)、大城市供電以及海島供電、海上鉆井平臺(tái)供電等場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，MMC的研究工作已經(jīng)取得一定進(jìn)展，但依然尚有許多問(wèn)題亟待解決，如大規(guī)模MMC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題、直流雙極短路故障的處理方式，等等。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，從以下幾個(gè)方面對(duì)半橋子模塊型MMC進(jìn)行了深

2、入研究:
　　(1)研究了MMC的基本工作原理，在忽略了MMC各個(gè)子模塊開(kāi)關(guān)過(guò)程的基礎(chǔ)上，建立了MMC的交直流解耦模型，該模型將MMC等效為相互解耦的交流回路和直流回路兩部分。在直流回路中，將橋臂不平衡電壓進(jìn)一步分解為固有分量和修正分量?jī)刹糠?固有分量在根源上是MMC與交流系統(tǒng)之間的交換功率引起的，而修正分量是通過(guò)一定控制策略產(chǎn)生的用以調(diào)節(jié)MMC內(nèi)部特性的電壓分量。
　　(2)分析了理想工況下MMC的橋臂電流以及子模塊電壓波

3、動(dòng)的基本成分。在直接調(diào)制法的作用下，深入研究了諧波環(huán)流與子模塊電壓波動(dòng)通過(guò)調(diào)制函數(shù)相互作用的機(jī)理;在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)建立了諧波環(huán)流、內(nèi)部虛擬電動(dòng)勢(shì)以及子模塊電壓波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，尤其重點(diǎn)討論了MMC的2次諧波環(huán)流成分，隨后討論了諧波環(huán)流的主要危害以及治理問(wèn)題。針對(duì)實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的上、下橋臂不對(duì)稱運(yùn)行工況，分別分析了上、下橋臂阻抗不對(duì)稱和子模塊數(shù)不一致對(duì)MMC運(yùn)行帶來(lái)的影響。
　　(3)研究了交流系統(tǒng)對(duì)稱情況下MMC-HVDC控制系

4、統(tǒng)的基本構(gòu)成。根據(jù)交直流解耦模型，將換流站級(jí)控制系統(tǒng)分割為交流回路控制器、環(huán)流抑制控制器和阻尼控制器三部分。交流回路控制器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)MMC與交流系統(tǒng)之間的功率交換，環(huán)流抑制控制器負(fù)責(zé)抑制負(fù)序2倍頻環(huán)流，阻尼控制器主要調(diào)節(jié)直流電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。
　　提出了MMC的啟?？刂品桨?。將MMC的啟動(dòng)過(guò)程分為不控啟動(dòng)階段和可控啟動(dòng)階段;討論了限流電阻與最大交流充電電流峰值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為限流電阻的選取提供依據(jù)。將MMC的停機(jī)過(guò)程分為能量反饋

5、階段和放電階段，所提出的停機(jī)方案有助于提高能量利用率、縮短停機(jī)時(shí)間和降低放電電阻的選取要求。
　　(4)針對(duì)交流系統(tǒng)不對(duì)稱情況下MMC-HVDC直流側(cè)電壓的2倍頻波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)直流電壓波動(dòng)抑制算法存在矩陣奇異的缺陷，提出適用于MMC-HVDC的新型直流電壓波動(dòng)抑制方法。該方法利用MMC子模塊能夠儲(chǔ)能的特性，在交流側(cè)負(fù)序電流被抑制的同時(shí)，完全消除了直流電壓的2倍頻波動(dòng)。建立了靜止坐標(biāo)系下3相MMC交流回路和直流回路的數(shù)學(xué)模型

6、，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于內(nèi)模原理的交流回路控制器、環(huán)流抑制控制器和直流電壓波動(dòng)抑制控制器。
　　(5)研究了幾種用于平衡MMC子模塊電壓的單級(jí)直接均壓法，包含傳統(tǒng)直接均壓法、引入最大電壓偏差控制的直接均壓法和引入保持因子的直接均壓法，重點(diǎn)從開(kāi)關(guān)頻率和死區(qū)效應(yīng)兩方面分析了傳統(tǒng)直接均壓法的缺陷。討論了MMC的控制系統(tǒng)架構(gòu)問(wèn)題，提出適用于大規(guī)模MMC的“主控制單元+閥組控制單元”型控制系統(tǒng)。為了解決單級(jí)直接均壓法中子模塊電壓排序耗時(shí)的問(wèn)題，同時(shí)

7、為了解決單級(jí)直接均壓法給控制系統(tǒng)帶來(lái)的通訊壓力，提出了兩級(jí)直接均壓法，將一個(gè)橋臂的子模塊均壓過(guò)程分解為閥組間均壓和閥組內(nèi)均壓兩部分，二者可并行完成。研制了一臺(tái)3相41電平MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，重點(diǎn)介紹了控制系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)情況，為大規(guī)模MMC控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制、子模塊的組織與獨(dú)立控制等問(wèn)題提供解決思路。通過(guò)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了:引入最大電壓偏差控制的直接均壓法有效降低了MMC的開(kāi)關(guān)頻率和死區(qū)效應(yīng);所提出的“主控制單元+閥組控制單元”型控制系統(tǒng)是