LCC-MMC混合直流输电系统故障穿越控制策略研究

摘要

传统基于晶闸管的高压直流输电技术在我国“西电东送”的战略中起到了极其重要的作用。但随着高压直流输电工程的不断建成，作为受端的华东和广东等东部负荷中心，其直流落点越来越多，逆变侧换向失败的问题将越来越突出，威胁着电网的安全稳定运行。整流侧采用基于晶闸管的电网换相换流器(LCC)，逆变侧采用基于全控器件的模块化多电平换流器(MMC)组成的混合直流输电系统，不仅能够满足我国大容量、远距离“西电东送”的国情需要，而且完全消除了逆变侧换相失败的问题，因此已逐步在我国实际工程中应用。而LCC-MMC混合直流输电作为一种新型的直流输电技术，其运行控制技术尚不成熟，还需要不断的研究完善。 在恶劣环境、整流侧LCC部分阀组退出运行或整流侧交流系统发生故障时，混合直流输电系统需在低直流电压的工况下工作，因此本文以逆变侧采用半桥子模块(HBSM)和全桥子模块(FBSM)各占50%的混合型模块化多电平换流器(HMMC)构成的伪双极、真双极混合直流输电系统为研究对象，从理论分析、仿真验证两个方面对混合直流输电系统整流侧故障的穿越控制策略进行了研究。 在低直流电压下运行时，HMMC中可能出现阀段电压突变导致其承受较高电压变化率的问题，针对该问题，提出了桥臂中HBSM与FBSM交替布置的优化布置策略。搭建了混合直流输电系统的仿真模型，为方便仿真系统中HMMC两种子模块配置数目和控制策略的灵活调整，自定义了较为灵活的HMMC调制均压模块。同时，分析了传统控制策略下混合直流输电系统的低直流电压运行能力，并通过仿真对分析结果进行了验证。 在传统控制策略下，混合直流输电系统在整流侧故障等因素导致的低直流电压工况下运行时，易因桥臂电流的单向性而导致桥臂中两种子模块的电容电压不能平衡。针对该问题，以伪双极混合直流输电系统为例，提出了一种改进的环流控制策略，并详细推导了环流分量幅值和相位指令值的选取表达式，设计了基于矢量控制的改进环流控制器。同时，针对故障穿越初期直流电流和HMMC交流电流振荡的问题，提出了基于虚拟电阻和电流指令限值的故障暂态电流抑制策略，以缩短其暂态过程。通过仿真分析对所提控制策略进行了验证。 应用于高压大容量直流输电中，HMMC通常采用真双极结构。根据真双极HMMC拓扑结构的特点，从真双极HMMC桥臂电压直流分量指令值的角度研究了系统整流侧故障时的穿越控制策略。首先对传统真双极对称型HMMC的桥臂电压直流分量指令值进行了改进，扩大了其能运行的直流电压范围；其次，为避免桥臂中同时存在两种子模块而带来的子模块电容电压不平衡的问题，提出了真双极不对称型HMMC的拓扑结构及其桥臂电压直流分量指令值的选取方法。同时，分析了所提控制策略和拓扑结构对HMMC阀侧设备的影响，并在PSCAD/EMTDC中建立了真双极混合直流输电系统的仿真模型，对所提控制策略进行了验证。 论文最后对全文的研究工作进行了总结，同时展望了下一步的研究方向。

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