模块化多电平柔性直流输电交流侧故障穿越与控制策略研究

摘要

柔性直流输电(Voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)是一种新型的灵活输电方式，基于电压源型换流器(Voltage source converter，VSC)的高压直流输电为解决大规模清洁能源并网等问题提供方法，更是为全球能源互联网的构建提供了先行实践。目前工程常采用的电压源型换流器主要有三种，分别是两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，其中模块化多电平换流器因为具有输出电平数多且可以根据需要调整输出电平数，输出波形质量高，电力电子器件开关频率相对较低从而开关损耗较小等优点，成为了柔性直流输电技术领域的热点研究对象。论文以基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统为研究对象，介绍了MMC的拓扑结构、调制策略和环流抑制方法，提出了一种通过控制MMC的输出电压，使三相电流ia、ib、ic快速跟踪其参考值ia*、ib*、ic*的非线性电流控制，对MMC的子模块电容电压均衡控制、交流侧不平衡故障穿越控制等控制策略问题进行了深入研究。 首先，详细介绍了模块化多电平换流器的拓扑结构，子模块(Sub-module，SM)运行原理和三相MMC的工作原理，分析了MMC中常用的两种调制策略，包括载波移相调制中的脉宽调制(PWM)和阶梯波调制中的最近电平逼近调制(NLM)，分析了这两种调制策略的适用范围，同时还对MMC中环流产生的机理进行了分析，并提出相关抑制环流的方法。 其次，介绍了MMC-HVDC的控制系统，分为系统控制、换流站控制和换流阀控制，并建立了MMC数学模型，在此基础上设计了MMC控制器，提出了一种基于非线性电流控制的改进控制策略。随后对子模块电容电压波动机理进行了分析，介绍了基于排序的子模块电容电压均衡策略，最后搭建了21电平MMC-HVDC系统仿真模型，仿真结果验证了改进控制策略的有效性和可行性。 最后，以MMC-HVDC交流侧不平衡故障为研究对象，分析了交流侧不平衡故障特性，得出MMC-HVDC在交流侧发生不平衡故障时的数学模型由两个独立的互不影响的正序系统和负序系统构成。随后介绍了一般控制和改进控制两种交流侧不平衡故障穿越控制策略，搭建了21电平MMC-HVDC仿真模型，在交流侧发生单相接地故障和两相接地短路故障的情况下分别采用一般控制策略和改进控制策略进行仿真，并对两种不同控制策略下的仿真波形进行对比分析，根据仿真结果得出，相较于一般控制策略，基于非线性电流控制的改进控制策略在面对交流侧不平衡故障时，响应速度更快，而且可以减小故障期间的过电流。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1论文研究背景和意义

1．2柔性直流输电技术

1．3基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统

1．3．1模块化多电平换流器

1．3．2 MMC的技术特点

1．3．3国内外柔性直流输电应用

1．4论文文主要研究内容安排

第二章模块化多电平换流器的工作原理

2．1 MMC拓扑结构

2．2 MMC的工作原理

2．2．1子模块运行原理

2．2．2三相MMC运行原理

2．3 MMC的调制方式

2．3．1载波移相调制

2．3．2最近电平逼近调制

2．4 MMC的环流抑制

2．4．1环流产生的机理

2．4．2抑制环流的方法

2．5本章小结

第三章MMC-HVDC输电系统控制策略

3．1柔性直流输电系统的控制策略

3．2 MMC数学模型

3．3 MMC控制器设计

3．3．1外环控制

3．3．2内环控制

3．4子模块电容电压平衡控制

3．4．1子模块电容电压波动机理

3．4．2子模块电容电压均衡控制

3．5仿真分析

3．6本章小结

第四章MMC-HVDC交流侧不平衡故障控制策略研究

4．1交流侧不平衡故障特性分析

4．2．1一般控制策略

4．2．2基于非线性电流控制的改进控制策略

4．3仿真分析

4．3．1交流侧单相接地短路故障

4．3．2交流侧两相接地短路故障

4．4本章小结

第五章总结与展望

参考文献

致谢

附录