混合三端直流输电系统不间断运行与控制策略研究

发布时间：2020-05-22 22:15

【摘要】：基于常规直流换流器(line commutated converter,LCC)和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的混合多端直流输电系统是能源基地电力外送、分散消纳柔性直流功率、提高交流电网安全稳定的重要技术手段,研究系统在各类工况下的不间断运行,对实现高压直流输电技术在远距离、大容量、特高压、架空线等场合下的应用具有重要意义。本文基于送端采用常规直流和受端采用全桥型子模块和半桥型子模块级联的MMC(hybrid modular multilevel converter,Hybrid MMC),研究了各类工况下的不间断运行控制策略,不间断运行侧重于换流器在各类工况下无需闭锁的安全稳定运行,实现系统的快速恢复,缩短功率缺额或下降时间。主要研究内容与研究成果如下:(1)提出了混合三端直流输电系统直流线路故障不间断运行与控制策略。推导了Hybrid MMC输出的交流电压、直流电压与桥臂电压的关系式,分析了Hybrid MMC交、直流侧电气量的解耦可控性,得到直流故障时Hybrid MMC主动控制直流电流的可行性,从而实现混合三端直流输电系统直流短路电流自清除。进而设计了瞬时性直流故障下各换流器的不间断运行控制策略,仿真验证了所提策略能实现直流故障自清除以及瞬时性故障后的快速重启。(2)提出了混合三端直流输电系统受端交流故障不间断运行与控制策略。推导了Hybrid MMC在交流对称/不对称故障期间的表达式,分析了交流故障引起的交流电流不对称、桥臂环流、功率波动、子模块电容过电压等影响。为了保证换流器的安全稳定,并限制交流侧故障对直流系统的影响,引入了正负序分离锁相环、负序电流抑制策略、交流低压穿越策略、桥臂环流抑制策略。进而设计了瞬时性和永久性交流故障下各换流器的不间断运行控制策略,仿真验证了所提策略能限制交流故障影响范围,维持直流侧安全运行。(3)针对特高压大容量应用场合,提出了混合三端直流输电系统高低压阀组串联运行结构。为应对阀组稳态运行时电压不平衡问题,设计了阀组均压运行策略。在计及旁路断路器的容量和成本的基础上,分别设计了LCC和Hybrid MMC的操作要求,满足断路器低电压开合、过零切断电流的技术要求。进而设计了双阀组和单阀组在线切换的控制策略,仿真验证了所提策略能在混合三端直流输电系统不停运的前提下,平稳控制电压和功率,实现阀组的在线投退。
【图文】：

解耦控制器,交直流,换流器,电压环

π/2PIIdcpuIdcrefπ/2PIVdcpuVdcrefmaxα低压限流图 2-4 LCC 控制器后备电压环节的指令值 Vdcref略大于线路额定电压，反馈量 Vdcpu取自换流器输出的直流电压。当系统功率不平衡导致线路直流电压上升时，Vdcref与 Vdcpu的差值变小，电压环的 PI 环节输出将逐渐减小，相应输出的触发角将增大；当线路电压超过电压环节的指令值（例如 1.02pu）时，电压环节的输出将超过电流控制环，换流器转入到定直流电压控制模式，维持线路电压的稳定同时减小换流器注入到直流线路的功率。Hybrid MMC 的控制器如图 2-5 所示，，换流器采取的是交直流解耦控制结构，包含交流控制环、直流控制环和桥臂环流抑制环。MdvdpumidrefPIIdmaxPI交流电流控制子模块平均电容电压控制VcrefipainbPI0N/DVdcn/2EdiffaidiffaId2负序二倍频环流抑制1/2桥

交直流,解耦控制,外环

-10100-90-4504590角相(deg)101103102频率(Hz)Kp=0.5，KI=50，ωc=2图 4-2 PI+R 控制器 Bode 图结合 ANF-PLL 和 PI+R 控制器，可以实现在一套控制器中对电流的正、负序分统一控制，交流内环电流的控制器如图 4-3 所示，其中 idref和 iqref正序电流分量参值由交流外环给出，交流外环分别控制子模块平均电容电压和无功功率；idref和负序电流分量参考值不由外环给出，而是直接置为 0，来实现负序电流分量的抑制dq/abcMdidpuvdpuMqvqpuiqpuθiqrefvPCCLpuma子模块电容均压控制驱动信号idrefPIIdmax-IdmaxVref_na~cVref_pa~cQrefQpuVdcn/2IdcmaxIPIIqmax-IqmaxPIPIPImbVdcn/2mcVdcn/2Lpu交流电流控制Pdcref子模块平均电容电压控制无功外环控制直流外环控制Vcref交流控制环直ipainb0PIPI2θ0IbaseN/DN/DLpuipcincinbipbLpuVdcn/2EdiffaVdcn/2EdiffcVdcn/2Ediffbdq/abcidiffaidiffcidiffbabc/dqId2Iq2负序二倍频环流抑制1/21/21/2RRANF-PLL
【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

【参考文献】