基于混合型MMC的柔直系统的启动及均压控制策略研究

摘要

基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的柔性直流输电系统已得到越来越多的应用。串联全桥型和半桥型模块的混合型MMC拓扑兼具直流故障阻断能力和低成本优势，运行经济性和灵活性较高，已经成为当前的研究热点。而此种混合型MMC应用于柔直系统中时，还存在两个突出的问题：在交流侧启动过程中，由于混合型MMC中两种子模块的预充电电压不均衡且较低，换流阀解锁后会出现严重的过调制现象和冲击电流，威胁系统的安全运行；在稳态运行过程中，混合型MMC的开关频率较高、开关损耗较大，损耗发热既影响设备的安全运行，又影响系统的运行效率。本文针对上述两个问题进行了研究，分别提出了一种交流侧启动控制策略以及一种稳态均压控制策略，以实现基于混合型MMC的柔直系统的安全启动以及低开关频率稳态运行。　　论文的主要内容如下：针对混合型MMC的拓扑结构，分别分析交流侧和直流侧启动方式下半桥型和全桥型子模块预充电电压特性及其等效电路，推导了两种子模块预充电电压的计算方法。而交流启动方式下，子模块预充电电压较低且不均衡，会导致受控充电电流冲击和桥臂过调制问题。针对此问题，提出一种交流侧平滑启动控制策略，利用全桥型子模块负电平输出能力，在电容欠电压条件下避免换流器过调制从而抑制冲击电流，从而实现混合型MMC的安全启动。仿真结果证明了所提交流侧平滑启动控制策略的有效性。　　针对现有均压策略存在的开关频率较高的问题，基于MMC运行原理，推导了子模块投切、轮换与电容电压暂态增量的数学关系，从而提出子模块电容电压序列收敛性的预测方法。基于此，提出了一种改进的低开关频率均压控制策略。该策略根据对桥臂内子模块电压序列收敛性的预测结果，在每个离散控制周期初始时刻动态调控子模块轮换数，以消除非必要的子模块轮换。与现有均压策略相比，该策略能在不降低均压效果的前提下，有效降低开关频率，有助于提高系统的运行效率。仿真结果验证了该均压控制策略的有效性。　　综上所述，本文针对混合型MMC应用于柔直系统时存在的突出安全问题提出了新的控制策略，实现了基于混合型MMC的柔直系统的平滑启动以及启动完成后的高效运行。

目录

目录目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2.1 柔直系统与子模块拓扑

1.2.2 MMC启动控制策略

1.2.3 MMC调制策略

1.2.4 MMC均压控制策略

1.2.5 柔直系统面临的挑战

1.3 本文主要工作

2 混合型MMC的工作原理及数学模型

2.1 引言

2.2 混合型MMC拓扑结构及工作原理

2.2.1 半桥型子模块工作原理

2.2.2 全桥型子模块工作原理

2.3 混合型MMC数学模型

2.4 混合型MMC的控制原理

2.4.1 交流侧输出电压控制

2.4.2 桥臂环流控制

2.5 本章小结

3 基于混合型MMC的柔直系统的启动控制策略 3.1 引言

3.2 基于半桥型MMC的柔直系统的启动方式

3.2.1 直流侧启动方式

3.2.2 交流侧启动方式

3.3.1 直流侧启动特性

3.3.2 交流侧启动特性

3.4 交流侧启动下的冲击电流特性

3.5 混合型MMC平滑启动控制策略

3.6 仿真分析与验证

3.6.1 预充电仿真

3.6.2 受控充电仿真

3.7 本章小结

4 基于电压收敛性预测的均压控制策略

4.1 引言

4.2.1 基于全排序的传统均压方法

4.2.2 基于电容电压偏差的均压方法

4.2.3 基于电容电压上下限的均压方法

4.2.4 基于模块轮换的均压方法

4.3.1 电容电压暂态增量分析

4.3.2 子模块投切规律

4.3.3 电容电压收敛性预测方法

4.4 改进的MMC均压控制策略

4.5 仿真验证

4.5.1 以开关频率为控制目标的仿真算例

4.5.2 以均压效果为控制目标的仿真算例

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 论文主要结论

5.2 工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果

D. 学位论文数据集

致谢