MMC型柔性直流输电系统控制策略与物理模拟系统研究

摘要

电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter based High VoltageDirect Current，VSC-HVDC)已经在世界范围内得到了快速发展。VSC-HVDC在新能源并网、输电网络、配电网络等领域具有大范围的适应性，正改变着交流电网的传统结构。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)作为VSC-HVDC适用于高电压大功率的领域的拓扑结构得到了广泛重视。MMC-HVDC物理模拟系统可以用于研究MMC-HVDC的运行特性，为控制策略的研发提供必要的实验平台，因此开展MMC-HVDC物理模拟系统研究具有重要的工程意义。本文将重点研究以下内容:
　　1)MMC-HVDC的实时数字仿真模型研究与快速控制原型设计
　　为研究MMC-HVDC的实时数字仿真模型与快速控制原型，首先简要说明了MMC基本运行原理与子模块工作原理。其次介绍了分层的MMC型柔性直流输电系统的控制系统，重点阐述了换流站级基于d-q轴的解耦控制策略。进而分别介绍了载波移相正弦脉宽调制(Carrier Phase Shifted Sinusoidal Pulse WidthModulation，CPS-SPWM)与最近电平逼近控制(Nearest Level Control，NLC)两种调制方法和子模块电容电压平衡控制策略。
　　在介绍实时数字仿真器(Real Time Digital Simulator, RTDS)及其各种小步长模型之后，研究了MMC-HVDC实时数字仿真模型的建模方法，详细说明了级联多电平CHINAV3模块的参数设置方法，建立了11电平MMC-HVDC系统模型，在该系统模型中实现了系统交流自励式启动、间接电流控制、子模块电容电压均衡算法以及最近电平逼近控制算法。基于面向仪器系统的PCI扩展(PCIExtensions for Instrumentation，PXI)对MMC-HVDC控制系统进行快速原型化，在PXI环境中开发调试了MMC-HVDC系统的定有功功率与定交流电压控制程序，自定义了增量式PI调节器并配置了输入输出板卡及I/O端口。最后，建立了RTDS-PXI数模混合实时仿真系统，混合实时仿真实验结果表明了所设计的物理控制器可以有效地调节母线电压和有功功率，具有优良的稳态与暂态性能，为MMC-HVDC控制系统快速原型化提供了有效途径。
　　2)MMC-HVDC物理模拟系统控制架构研究
　　重点研究了分层的MMC-HVDC控制系统架构，运行人员控制系统（上位机）、极控制和保护系统(Pole Controller&Protection System，PCP)、阀基控制器(ValveBased Controller，VBC)、子模块控制器(Sub-module Controller，SMC)等由高到低构成了完备的控制体系。上位机完成一次系统电压电流信号的显示以及产生系统运行有功类、无功类物理量参考值，并远程对系统中的断路器控制。PCP接收有功和无功类物理量参考值，完成一次系统电压电流信号的采集以及有功量和无功量的控制，产生调制比M和移相角δ，形成正弦电压参考波。VBC根据PCP产生的参考波，并结合子模块电容电压平衡控制策略来产生各个子模块所需的触发脉冲。SMC实现对全控器件的可靠触发与保护。信号采集调理设备主要完成电流互感器CT与电压互感器PT输出信号的调理。
　　设计了MMC-HVDC物理模拟系统的运行状态、各控制层之间的通讯内容以及协调控制策略，对控制器程序进行了开发与调试。
　　子模块投切状态转换时，由于绝缘栅双极晶体管(Insulate Gate BipolarTransistor，IGBT)特性不完全相同，为防止上下IGBT同时导通而造成电容短路，需对IGBT设置死区。分析了桥臂电流方向与子模块投切状态对子模块输出电压误差的影响，然后考虑到理想条件下CPS-SPWM调制的特点，对换流器交流侧的电压误差建立了精确的傅里叶级数。继而采用取平均值的简化方式分析电压误差对换流器交流侧电压基波幅值与相位的影响，推导了电压误差的等效基波幅值、实际输出基波幅值以及角度偏移量的公式，并在此基础上提出了死区造成的电压误差的补偿方法。然后进一步分析了非理想状态下死区对换流器交流侧电压的影响。PSCAD/EMTDC的仿真结果表明了死区分析的正确性与补偿方法的有效性。
　　3)MMC-HVDC物理模拟系统的实验研究
　　对MMC-HVDC物理模拟系统的一次系统结构进行了设计，针对MMC-HVDC物理模拟系统的不同屏柜，介绍了安装于其中的各种一次与二次设备，同时设计了子模块硬件结构并进行了元器件选型。
　　对子模块进行了绝缘实验，检测了子模块高压特性。设计了子模块的稳态测试平台及其控制程序。对子模块进行了稳态的空载与负载实验，实验结果验证了子模块的良好性能，SMC可以与VBC进行有效通讯并可以对子模块进行有效控制保护，验证了子模块稳态测试平台的有效性。
　　进行了MMC-HVDC物理模拟系统的系统实验，实验表明控制系统可以有效地实现物理模拟系统的启停、子模块电容电压平衡、基本的故障保护以及直流电压与功率的控制，并针对实验中控制器出现的问题，提出了一种改进的控制器设计方案。
　　子模块电容电压排序是电容电压平衡算法的重要一环，首先比较了典型的排序法，根据工程上MMC-HVDC控制系统与可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)并行计算的特点，采用并行排序的思想，减少了子模块电容电压排序计算的时间。接着对子模块电容电压分组排序方法进行了研究，然后通过优化子模块电容电压上传的数据，一方面减少了SMC上传的数据量，另一方面也起到了降低器件开关频率的作用，基于PSCAD的仿真结果也证实了优化方法的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 MMC型柔性直流输电发展现状

1．1．2 课题的提出

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究内容

第2章 MMC-HVDC控制策略研究

2．1 MMC运行与控制原理

2．1．1 MMC基本运行原理

2．1．2 子模块工作原理

2．2 控制策略

2．2．1 基本控制原理

2．2．2 基于d-q轴的解耦控制策略

2．2．3 基于d-q轴的解耦控制器设计

2．3 调制方式与电容电压平衡控制策略

2．3．1 载波移相正弦脉宽调制CPS-SPWM

2．3．2 最近电平逼近调制NLC

2．3．3 子模块电容电压平衡控制策略

2．4 本章小结

第3章 MMC-HVDC数模混合仿真研究

3．1 MMC-HVDC的RTDS仿真

3．1．1 RTDS简介

3．1．2 应用于柔性直流输电的小步长模型

3．1．3 MMC-HVDC主系统建模

3．1．4 MMC-HVDC实时数字仿真模型

3．1．5 RTDS在MMC-HVDC仿真方面的新进展

3．2 基于PXI的快速控制原型设计

3．2．1 控制系统程序架构方式

3．2．2 控制系统编程

3．3 数模混合实时仿真

3．3．1 RTDS-PXI数模混合实时仿真系统

3．3．2 RTDS-PXI闭环实验

3．4 本章小结

第4章 物理模拟系统的控制系统架构研究

4．1 控制系统架构

4．2 信号采集调理设备与上位机

4．3 极控制和保护系统PCP

4．4 阀基控制器VBC

4．5 子模块控制器SMC

4．6 控制逻辑设计

4．6．1 系统运行状态

4．6．2 各级通讯内容与协调控制策略

4．6．3 SMC与VBC的异步通讯设计

4．6．4 故障控制保护策略

4．6．5 死区的影响与补偿研究

4．7 本章小结

第5章 MMC-HVDC物理模拟系统的实验研究

5．1 物理模拟系统主回路

5．2 子模块测试

5．2．1 子模块绝缘测试

5．2．2 稳态测试平台主接线

5．2．3 稳态测试平台控制器设计

5．2．4 子模块稳态测试

5．3 系统实验

5．4 控制器改进与电容电压平衡策略研究

5．4．1 控制器架构改进

5．4．2 适用于工程应用的电容电压平衡策略研究

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术文章

攻读博士学位期间参加的科研工作

作者简介