模块化多电平换流器在高压直流输电系统中的应用研究

摘要

电能推动当今社会文明发展，电能也是衡量一个国家经济发展和人民生活的一个重要指标。我国电网具有超远距离输电、输电走廊资源紧张、电源基地巨型化、直流多落点等特点。这些特点同时也决定了输电系统必须具有经济效率高、向偏远地区的无缘负荷供电、换流站少等特性，因此，我国电网克服这些问题的有效办法就是发展高压直流输电事业。传统的基于两电平或三电平电压源型换流器的高压直流输电系统，在满足高压、大功率的电网要求的同时，也使得开关器件的开关频率较高，其损耗也会增大，除此之外交流侧的滤波装置体积庞大也非常笨重，这些问题不仅增加了换流站的占用空间而且也降低了换流器的工作效率。
　　针对于传统轻型高压直流输电中存在的问题，设计出一种新型模块化多电平换流器(MMC)作为高压直流输电系统的换流器。以MMC的关键技术为核心，以PSCAD/EMTDC仿真软件为手段，以MMC在高压直流输电系统中的应用为目的，对该系统的调制策略和控制策略以及最终的电能质量展开了详细分析。
　　首先分别对MMC中子模块的电容电压波动和环流问题的影响因素加以分析。建立了子模块电容电压和环流的数学模型，推导结果表明“子模块电容电压的基波分量与视在容量和调制比有关;MMC中只含有偶次谐波，且相间环流可实现MMC在公共直流母线和三相电网之间的有功与无功能量交换。”其次，对几种适用于多电平换流器的调制策略进行了理论分析，根据调制选取的方法，针对MMC的特点选取调制方式。随后提出了一种电容预充电的控制策略，实现了MMC中电容电压的初始化，并且基于子模块电容电压的不平衡问题，设计了一种电容电压平衡控制策。最后通过PSCAD/EMTDC仿真软件搭建仿真平台，不仅验证了模块化多电平换流器的高压直流输电系统所采用的调制策略和控制策略的稳定性和正确性，同时也验证了该换流器运用在高压直流输电中的可行性。
　　MMC不仅弥补了传统多电平换流器的开关器件开关频率过高，滤波装置笨重等方面的不足，而且在高压直流输电中电能的高质量问题也具有进一步研究的潜力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 电力系统发展

1．2 高压直流输电系统研究动态

1．2．1 工程应用动态

1．2．2 换流器拓扑结构研究

1．3 基于MMC的轻型直流输电系统的提出

1．4 本文研究的主要内容

2 MMC的结构分析及数学模型

2．1 MMC拓扑结构和工作原理

2．1．1 MMC的拓扑结构

2．1．2 MMC的工作原理

2．2 MMC的数学模型

2．3 模块化多电平换流器的电容电压分析和环流分析

2．3．1 模块化多电平换流器的电容电压分析

2．3．2 模块化多电平换流器的环流分析

2．4 本章小结

3 MMC的调制策略分析

3．1 MMC的调制策略

3．1．1 调制策略问题的产生

3．1．2 调制策略的选择要求

3．2 MMC的电压逼近调制策略

3．2．1 空间电压调制策略

3．2．2 最近电平调制技术

3．3 MMC的载波移相调制技术

3．3．1 传统的载波层叠SPWM技术

3．3．2 载波移相技术的PWM调制策略

3．4 调制策略的比较

3．5 本章小结

4 MMC-HVDC的控制策略分析

4．1 VSC-HVDC控制策略简介

4．2 模块化多电平换流器输电控制系统

4．2．1 内环电流控制设计

4．2．2 外环功率控制设计

4．3 直流电容电压控制

4．3．1 子模块电容参数的设计

4．3．2 电容预充电

4．3．3 子模块电容电压平衡控制

4．4 本章小结

5 系统仿真

5．1 模块化多电平换流器型直流输电系统

5．2 MMC-HVDC整流侧仿真及其分析

5．2．1 控制策略和调制策略仿真分析

5．2．2 系统仿真分析

5．3 MMC-HVDC逆变侧仿真及其分析

5．3．1 控制策略和调制策略仿真分析

5．3．2 系统仿真及其分析

5．4 本章小结

6 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果