混合型模块化多电平换流器能量均衡机理分析与控制研究

发布时间：2020-03-27 13:32

【摘要】：凭借较低的构建成本、较高的运行效率和良好的直流短路故障穿越能力,全桥-半桥混合型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)已初步成为未来柔性直流输电工程的重要选择。同时,混合型MMC通过提高交流侧电压来提升换流器传输容量的潜力以及其低直流电压持续运行能力也受到国内外学者的关注。当混合型MMC运行于极对极短路故障、极对地短路故障、交流提压或直流降压场合时,桥臂间工作的不对称性和不同类型模块间工作的差异性会导致桥臂间以及桥臂内部不同类型的子模块间出现能量不均衡问题。然而,目前关于上述问题的研究不多,且已有的研究缺乏对问题机理的深刻认识。针对上述不足,本文重点探索不均衡问题发生的机理和表现形式,进而提出改进控制策略。具体内容包括:(1)研究了正常稳态下直接调制的全桥-半桥1:1混合型MMC内部能量均衡机理,并分析了环流抑制器对上述机理的影响。通过对内部环流的基频和直流分量列写等效电路,指出MMC可通过调节内部环流中的基频分量来自动实现桥臂间能量的均衡,通过调节内部环流的直流分量来自动实现相间能量的均衡。在桥臂间和相间能量均衡的基础上,当直流侧电压稳定时,换流器总能量平衡。当加入二倍频环流抑制器时,比例参数K_P对内部环流中的直流分量和基频分量均起阻尼作用,进而会加快桥臂间和相间能量均衡的速度。(2)研究了极对极短路故障穿越下直接调制的全桥-半桥1:1混合型MMC桥臂间能量难以均衡的问题,并提出利用环流抑制器施加有源阻尼的改善方案;进一步提出故障期间半桥子模块的充电控制方案。当换流器开始穿越后,每相投入的电容、桥臂上阻抗和线路阻抗对检测延时阶段的电容放电电流构成变系数的二阶振荡电路,导致桥臂间能量难以均衡。考虑到故障期间直流侧电流稳态值为零,提出利用环流抑制器施加有源阻尼的方案。利用零直流电压下,全桥等效模块和半桥等效模块输出电压组合的冗余,提出可实现故障期间半桥子模块电容充电控制的改进穿越方案。相比传统的基于半桥子模块旁路的穿越方案,所提方案使换流器能更好的穿越长期故障。(3)研究了极对地短路故障穿越下直接调制的全桥-半桥1:1混合型MMC桥臂间能量不均衡问题的机理和送端故障极桥臂中的半桥子模块无法充电问题的机理,并提出了改进控制。发现直接调制的混合型MMC在穿越极对地短路故障时,换流器内部会激发出基频环流来维持桥臂电容电压的稳定;进一步指出环流抑制器的K_P参数和桥臂阻抗对上述环流的阻尼会造成上、下桥臂间能量不均衡:正常极桥臂电容电压会维持在额定值附近,而故障极桥臂电容电压会偏离额定值。基于上述分析,提出一种基于基频环流前馈补偿的桥臂间能量均衡控制方案。同时发现当送端换流器工作于较高功率因数时,会出现故障极桥臂电流始终为负值的现象,半桥子模块的无法充电及子模块上的损耗导致混合型MMC无法穿越长期极对地短路故障。为此,提出基于基频无功环流注入以及全桥子模块和半桥子模块协调参与的改进穿越方案。相比传统方案,所提方案可在不牺牲功率因数的情况下,实现故障极半桥子模块电容的快速和准确的充电,使混合型MMC具备可靠穿越长期极对地短路故障的能力。(4)研究了交流提压和直流降压场合下混合型MMC内部潜在的全桥子模块和半桥子模块电容电压不均衡问题,并提出基于基频无功环流注入的均压改善方案。首先通过对一个基频周期内全桥和半桥子模块的充、放电过程分析,总结及推导出全桥和半桥子模块电容电压不均衡问题发生的机理及边界条件。进一步归纳出调制系数、功率因数和全桥配比三个主要因素,并分析了其对子模块电容电压不均衡问题的影响。最后,提出基于基频无功环流注入的解决方案。相比传统方案,所提的方案不需要降低功率因数,或提高全桥子模块配比,或改变换流器上、下桥臂对称的拓扑。(5)搭建了基于三相全桥型MMC的实验平台,完成了稳态并网实验、极对地短路故障穿越稳态实验和高调制系数下的运行实验。实验结果验证了极对地短路故障穿越下桥臂间能量不均衡问题和高调制系数运行下电容电压不均衡问题机理分析的合理性,以及所提改进控制策略的有效性。
【图文】：

示意图,柔性,示意图,三电平换流器

（2）开关损耗高。两电平和三电平换流器采用脉宽调制策略（Pulse WidthModulation,PWM），为具备较好输出电压及输出电流性能，器件开关频率通常达到1-2kHz。较高的开关频率增加了系统的开关损耗，一般基于两电平换流器的系统平均损耗约为其额定功率的3%，基于三电平换流器的系统平均损耗约为额定功率的1.7%，而传统高压直流输电系统平均损耗小于额定功率的1%。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是德国MarquardtRainer教授于2001年提出的新型换流器[21]-[23]。相比两电平及三电平换流器，MMC采用子模块串联结构，从根源上解决了半导体器件均压难题。同时，具有开关损耗小、对滤波器要求低及利于设计、生产、安装及调试等优点。自2010年以来，世界上新建的柔性直流工程（如表1-1所示）多采用MMC拓扑结构。目前，我国柔性直流输电技术已走向世界前列。未来我国柔性直流输电将朝向高电压、大容量及远距离方向发展，如图 1.1 所示[24]。

半桥,故障电流,断路器,换流器

清除直流短路故障的方法主要有以下三种[27]-[33]：（1）交流侧断路器利用交流侧断路器隔断故障电流是目前在投运的VSC-HVDC工程中清除直流路故障电流的唯一可行方法。但是，，交流断路器属于机械开关，其响应速度慢，最动作时间也要2~3个周波[31]。在该动作时间内，为避免换流器开关器件发生过压或过流，需采用提高器件参数、增大桥臂电抗或者配置快速旁路开关等辅助措施，这增加换流器的体积和成本。同时，故障清除后，系统重启时配合动作时序复杂、恢时间较长，一般需要数十秒[25]。在子模块两端反并联晶闸管[25],[32]，可以保护模块的续流二极管，但是该技术不能清除直流故障电流。（2）直流侧断路器相比于高压交流断路器，直流断路器的研制存在如下技术难点：1）直流电流过零点；2）直流故障电流上升速度快、幅值大；3）短路故障时，直流电容器和平
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM721.1

【参考文献】