基于模块化多电平换流器的直流输电系统控制策略研究

摘要

相比于传统两电平或三电平电压源型换流器，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用模块化拓扑设计，避免了换流器桥臂功率开关器件直接串联，解决了桥臂器件动态均压问题。同时，通过调整子模块串联个数可以实现电压及功率等级灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，使得输出电压电流谐波含量更低。而基于模块化多电平换流器型高压直流输电技术在新能源接入、异步电网互联、无源电网供电、城市配网等诸多领域有着广阔的应用前景，因此吸引了学术界和工业界越来越多的关注。
　　MMC-HVDC控制策略是保证直流输电系统安全、可靠运行的关键。虽然两电平电压源换流器型直流输电(Voltage Source Converter Based HVDC，VSC-HVDC)控制策略可以移植到MMC-HVDC当中，但是由于MMC拓扑、工作机理有所区别，对MMC及其构成直流输电系统进行研究，仍具有重要的实际工程价值。本文采用理论分析和仿真验证相结合研究手段，基于改进子模块拓扑类型，重点研究MMC-HVDC拓扑及其数学模型、环流、稳态和故障控制等相关问题。
　　(1) MMC-HVDC运行机理及其稳态数学模型
　　为了研究MMC-HVDC系统控制策略，首先在分析其两种拓扑特点（HVDC-Light和HVDC-Plus）及其工作原理的基础上，建立了电网电压平衡条件下MMC-HVDC在两种不同坐标系下的数学模型。其次基于MMC的工作机理，分别介绍了适用于MMC的两种调制策略:最近电平逼近(Nearest LevelModulation，NLM)和载波移相正弦脉宽调制策略(Carrier Phase ShiftedSinusoidal Pulse Width Modulation，CPS-SPWM)并进行仿真分析。最后针对这两种不同的调制策略分别设计子模块电容电压均衡改进策略。
　　(2) MMC环流及其抑制策略研究
　　MMC由于本身结构特点和工作机理带来了桥臂环流问题。环流存在使得MMC桥臂电流发生畸变，从而提高了器件额定电流容量，增加了系统成本，同时也造成了不必要的运行损耗。在桥臂电流电压方程基础上，首先利用谐波分析法从不同方面分析了桥臂环流形成原因，进而得出交流电流、桥臂电流、环流和直流电流之间的数量关系。然后通过对方程进一步推导整理，得出了桥臂电流中环流成分的二倍频特性。为实现环流的有效抑制，分别根据环流形成原因及其特性，提出基于电容电压均衡的水平环流抑制策略和基于比例谐振控制器的垂直环流抑制策略，从而在不改变桥臂电感前提下实现环流抑制目标。
　　(3) MMC子模块拓扑研究
　　在直流侧发生故障时，MMC传统半桥型子模块拓扑存在不能够自行阻断直流侧故障电流问题。本文首先总结了现有子模块拓扑特点及其改进类型拓扑。其次通过分析MMC直流侧故障时桥臂电流与模块电容的充放电关系，对传统半桥型子模块拓扑进行改进，设计了串联双子模块拓扑及其改进类型，从而在不影响控制策略和调制及电容电压均衡策略前提下实现了直流侧故障电流阻断功能。同时通过研究闭锁时不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系，定义了反映换流器故障抑制能力的故障抑制系数，并根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同，设计了自励启动方法。最后设计了直流侧故障时不同的控制策略，搭建了仿真模型，对直流侧故障特性以及相应控制策略进行分析验证。
　　(4)交流系统故障时MMC-HVDC电流内环控制器及控制策略研究
　　MMC-HVDC通常采用双闭环矢量控制策略，在电网电压不平衡情况下，该策略存在需要调整控制参数多、动态响应较慢问题。为了解决上述问题，首先在两相同步旋转和静止αβ坐标系下，分析了MMC-HVDC电网电压不平衡下数学模型特点，并对其功率分量关系进行相应推导，计算出控制指令，设计低压限流器。然后针对同步旋转坐标下存在直流和交流电流分量的特点，引入基于比例积分和谐振控制器的复合电流矢量控制，实现交直混合电流控制。此外为了实现交流信号无静差控制，在αβ坐标系下引入比例谐振控制器实现正负序电流统一控制。该策略无需繁琐的旋转坐标变换，从而不存在受电路参数影响的耦合项，进而方便了控制器的设计。同时分析了电网电压不平衡下的环流特性并设计了基于比例谐振和复合电流控制器的环流抑制器，最后在PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型基础上，验证了控制策略的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．1．1 VSC-HVDC技术

1．1．2 MMC-HVDC技术特点

1．2 MMC-HVDC国内外研究现状

1．2．1 拓扑结构研究

1．2．2 直流侧故障及子模块拓扑研究

1．2．3 桥臂环流问题

1．2．4 调制及电容电压均衡策略

1．2．5 电流内环控制器

1．3 课题研究内容

第2章 MMC-HVDC拓扑及其稳态数学模型

2．1 引言

2．2 MMC-HVDC拓扑形式

2．3 MMC-HVDC稳态数学模型

2．3．1 同步旋转坐标下数学模型

2．3．2 两相静止坐标下数学模型

2．3．3 控制性能对比分析

2．4 MMC-HVDC调制及均衡策略

2．4．1 调制策略

2．4．2 电容电压均衡策略

2．5 电压均衡仿真验证

2．5．1 外加控制仿真验证

2．5．2 电容电压排序均衡控制仿真

2．6 本章小结

第3章 MMC环流及抑制策略研究

3．1 引言

3．2 环流形成机理及特点

3．2．1 环流形成机理分析

3．2．2 环流特性研究·

3．3 环流抑制策略

3．3．1 水平环流抑制

3．3．2 垂直环流抑制

3．3．3 滤波器环流抑制

3．4 仿真验证

3．4．1 电压电流谐波特性分析

3．4．2 环流影响因素分析

3．4．3 水平环流抑制

3．4．4 垂直环流抑制

3．4．5 环流滤波器抑制

3．5 本章小结

第4章 具备穿越直流故障能力MMC拓扑及控制策略

4．1 引言

4．2 子模块拓扑研究

4．2．1 半桥子模块拓扑

4．2．2 多电平子模块拓扑

4．3 直流侧故障闭锁能力子模块拓扑

4．3．1 双晶闸管半桥子模块拓扑

4．3．2 全桥子模块拓扑

4．3．3 五电平和三电平跨接拓扑

4．3．4 钳位双子模块拓扑

4．4 改进子模块拓扑

4．4．1 串联双子模块拓扑

4．4．2 改进复合子模块拓扑

4．5 故障电流抑制能力分析

4．6 MMC启动策略验证

4．6．1 IHSM启动分析

4．6．2 SDSM启动分析

4．6．3 故障后启动分析

4．7 直流侧故障抑制

4．7．1 直流侧故障特性

4．7．2 直流侧故障抑制策略

4．8 仿真验证

4．8．1 启动策略验证

4．8．2 半桥拓扑故障分析

4．8．3 暂时性故障抑制分析

4．8．4 不同子模块故障抑制分析

4．9 本章小结

第5章 MMC-HVDC交流侧故障抑制策略

5．1 引言

5．2 控制系统设计

5．2．1 不平衡故障分析

5．2．2 序分量分解

5．3 同步旋转坐标控制研究

5．3．1 正负双序电流矢量控制

5．3．2 复合电流矢量控制

5．3．3 低压限流环设计

5．4 两相静止坐标控制策略研究

5．4．1 两相静止坐标控制

5．4．2 低压限流环设计

5．5 不平衡环流分析及抑制

5．5．1 不平衡环流特性

5．5．2 环流抑制器

5．6 仿真验证与分析

5．6．1 负序电流抑制

5．6．2 有功功率波动抑制

5．6．3 低压限流环验证

5．6．4 环流抑制策略仿真

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文主要成果及结论

6．2 后续研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介