基于电压源换流器的轻型直流输电技术应用研究

摘要

稳定的能源供给是一个国家社会稳定、经济发展的基础和前提。随着传统化石能源储量的枯竭，以及环境容量的不断收缩，节能减排，开发新能源，走可持续发展的道路已成为国家发展战略中的重要一环。轻型直流输电技术（VSC-HVDC）作为一种新型输电技术，因其与生俱来的经济、技术优势，一经提出，便迅速成为相关专家学者关注的焦点。随着该技术在实际工程中的应用，人们对其在电压与容量方面的要求不断提高，但受制于目前电力电子器件的理论研究与制造工艺水平的限制，使得基于传统换流器结构的VSC-HVDC在这两个方面的提升空间有限。模块化多电平换流器（MMC）因其设计的灵活性以及拓展的便利性，在解决 VSC-HVSC的电压与容量问题方面具有显著优势，因而成为广大科技工作者的研究热点。本文以 MMC-HVDC作为研究对象，重点针对MMC的拓扑结构及其控制策略做了深入细致的研究。
　　首先，本文从VSC-HVDC的组成与基础理论入手，分析了该技术的优势与应用前景，并对该技术的研究现状进行了概述。
　　其次，本文详细论述了MMC的三种子模块（HBSM、F BSM、CDSM）的工作过程，在此基础上对MMC的运行原理进行了深入细致的研究，分析了基于CDSM的MMC故障清除原理。
　　再者，本文构建了MMC-HVDC在两种坐标系下的数学模型，并对其内部环流产生原因以及子模块电容电压的波动情况进行了深入的分析。
　　此外，本文引入预测控制的概念，在详细论述基于有限控制集的模型预测控制（FSC-MPC）基本思想和特点的基础上，重点研究了其在 MMC-HVDC站级控制系统中的应用，并对FCS-MPC的优化函数进行了重新设计，避免了其应用于多目标控制时由于引入权重因子而造成的控制系统参数设计困难的弊端，并通过仿真对其正确性进行了验证。
　　最后，结合风电机运行特性研究，在分析对比常用风电并网技术的基础上，指出MMC-HVDC在该方面的应用优势，并采用定电压和定频率的控制策略，在Simulink中搭建仿真模型，验证了其在风电并网方面的可行性。

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变量注释表

1 绪论

1.1 课题提出研究背景及意义(Background and Significance of the Research)

1.2国内外研究现状(The Research Status)

1.3 本文完成的主要工作(Main Work in the Paper)

2 MMC-HVDC的运行原理

2.1引言(Introduction)

2.2两种传统VSC拓扑(Two Traditional Topologies of VSC)

2.3 MMC 及其子模块的工作原理(Operating Principle of MMC and Sub-Module)

2.4本章小结(Summary)

3 MMC-HVDC的数学建模

3.1引言(Introduction)

3.2 MMC-HVDC 的数学模型(The Mathematical Model of MMC-HVDC)

3.3子模块电容电压波动机理(The Fluctuation Mechanism for the Capacitance Voltage of Sub-Module)

3.4 MMC 内部环流分析(The Analysis of MMC Inter nal Circulating Current)

3.5本章小结(Summary)

4 MMC-HVDC的控制策略4 Control Strategy of MMC-HVDC

4.1引言(Introduction)

4.2 MMC-HVDC控制系统概述(The Overview of MMC-HVDC Control System)

4.3 基于有限控制集的模型预测控制算法(Finite Control Set Model Predictive Control)

4.4应用于MMC的FCS-MPC控制算法(The FCS-MPC Control Algorithm Applied to MMC)

4.5本章小结(Summary)

5 MMC-HVDC在风电并网方面的应用

5.1引言(Introduction)

5.2风力发电概述(Overview of Wind Power Generation)

5.3 风力发电机运行特性(The Operating Characteristic of Wind Turbine)

5.4基于MMC-HVDC的风电场并网仿真研究(Simulations Based on MMC-HVDC of Interconnection Windfarms)

5.5本章小结(Summary)

6结论与展望

参考文献

作者简历

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