基于MMC的统一潮流控制器的电磁暂态特性研究

发布时间：2020-04-19 23:27

【摘要】：统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)是一种能够实现并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节的灵活交流输电装置(flexible ac transmission systems,FACTS)。为了解决我国电网负荷中心潮流分布不均、电压支持能力不足等问题,我国正在研发世界上输送容量最大、电压等级最高、基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的500kV级统一潮流控制器,代表世界柔性输电技术的最高水平。为了优化500kV MMC-UPFC工程的绝缘配合、保障工程的安全稳定运行,亟待深入研究MMC-UPFC系统的电磁暂态过电压特性及其抑制方法。与传统两电平UPFC相比,MMC-UPFC系统拓扑更为复杂,对其控制策略和电磁暂态建模是当前国内外学者研究的热点。由于MMC-UPFC系统分为串联侧和并联侧,基于现有柔性直流输电系统(MMC-HVDC)建立的控制模型和电磁暂态特性规律不能直接外推用于MMC-UPFC系统。本文针对上述问题,首先聚焦MMC-UPFC控制策略与电磁暂态建模问题,研究分析了MMC-UPFC的基本结构和运行原理,分别建立了并联侧和串联侧换流器数学模型,设计了基于PI控制的并联换流器和基于交叉解耦控制的串联换流器双环控制策略,所设计的控制系统能够稳定控制线路潮流。据此建立了苏南500kV MMC-UPFC工程的缓波前电磁暂态模型,通过开展工程稳态运行工况和功率阶跃工况的仿真,证明了所建立的控制模型具有良好的稳态及动态性能。其次,围绕苏南500kV MMC-UPFC工程的缓波前过电压特性及其抑制方法,本文基于所建立的电磁暂态模型,考虑工程交流侧、换流阀和直流侧出现的十六种典型故障工况,仿真获得了不同故障条件下设备关键节点的缓波前过电压特性和避雷器保护水平,分析得出了故障保护动作对过电压水平的影响,计算结果表明苏南500kV MMC-UPFC工程主设备的缓波前绝缘水平能够满足要求。最后,针对苏南500kV MMC-UPFC系统站内雷电过电压防护问题,本文通过分析MMC-UPFC站的雷电侵入波传播路径,研究建立了含500kV交流变电站和MMC-UPFC站的雷电侵入波过电压计算模型。计算获得了MMC-UPFC系统单线、双线和STATCOM三种运行方式下设备的雷电过电压水平,分析了进线段接地电阻、工频电压相角等因素对设备雷电过电压水平的影响,校核结果表明500kV苏南MMC-UPFC站设备要求的绝缘水平满足雷电过电压防护要求。本文的研究工作可对保障苏南500kV UPFC的安全稳定运行和MMC-UPFC工程的设计、过电压与绝缘配合提供支撑,且对柔性输电技术的发展具有重要的理论和工程应用价值。
【图文】：

统是 MMC-UPFC 系统的核心，MMC 在 UPFC 系统的应更加复杂，同时也使控制保护系统结构更加复杂。FAC制策略，本文主要针对 MMC-UPFC 的 UPFC 站级和阀MMC的拓扑结构与UPFC的运行原理出发，分别推导联侧的数学模型，设计 UPFC 站级和阀控制级控制策略C 的电磁暂态模型并仿真验证控制系统的有效性。C-UPFC 基本结构和原理C 拓扑结构与运行机理-1 所示，三相模块化多电平换流器的拓扑结构高度模块器的子模块的数量来调节输出电压，可以满足不同的电求。换流器的每一相单元分为上桥臂和下桥臂，三相共有包含 N 个子模块(submodule, SM)串联桥臂电抗器组成。

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文块的直流侧电容电压来支撑的。子模块中两个 IGBT 的触发信号有多种组合方式，子模块的工作状态可以分为“投入状态”、“切除状态”、“闭锁状态”三种。当子模块处于闭锁状态时，对 T1、T2 均加关断信号，这种情况多发生在非正常工作状态，例如启动模块化多电平换流器的时候对子模块内的电容器充电，或者是在故障的时候旁路子模块内的电容器。当子模块处于投入状态时，对 T1 加开通信号，对 T2 加关断信号，，这时正向电流通过 D1 对电容进行充电，反向电流通过 T1 对电容进行放电。子模块输出电压为电容器电压 Uc。当子模块处于切除状态时，对 T1 加关断信号，对 T2 加开通信号，这时电容被旁路，子模块输出电压为零。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM721.1

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本文编号：2633858