MMC型柔性直流电网建模、分析与控制研究

发布时间：2020-08-06 08:18

【摘要】：目前,我国正处于能源革命的初始阶段,其目标是建设清洁低碳、安全高效、可持续发展的现代能源体系。基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性直流电网具有众多优点,在安全、高效消纳大规模可再生能源发电的场合具有良好的应用前景,是未来电网发展的重要方向。然而,相对于交流系统,柔性直流电网是一种新型电力系统,其规划、设计、运行、调度等还没有足够的经验。为此,本文以MMC型柔性直流电网为研究对象,重点研究直流电网的建模、分析与控制相关问题。主要工作如下:(1)MMC的完整解析数学模型及其稳态特性换流器的数学模型是柔性直流电网的关键性问题之一,因为这是所有相关研究工作的基础,也是进行建模、分析和控制的第一步。首先,明确了MMC数学模型的输入输出结构。其次,基于平均开关函数建立了 MMC的微分方程模型,该模型是描述MMC交直流侧动态特性的基础性方程。然后,基于MMC的微分方程模型,采用逐次逼近法推导出了MMC的完整解析数学模型。推导过程分成三步:第一步,设定桥臂电压为理想阶梯波,根据MMC微分方程模型,推导MMC各电气量的初始解;第二步,根据桥臂电压与子模块电容电压的关系,推导出考虑子模块电容电压波动时的桥臂电压新的表达式;第三步,为了加快迭代过程的收敛速度,桥臂电流的基波及二次谐波采用相应的修正表达式,高次谐波仍然采用已得到的结果,根据MMC微分方程模型继续推导其他电气量的解析表达式。最后,仿真结果验证了完整解析数学模型的准确性。(2)MMC型直流电网的主电路参数分析与选取主电路参数选择是系统设计的重要组成部分,合理的主电路参数可以有效改善系统的动态和稳态性能,降低系统的初始投资及运行成本,提高系统的经济性能指标。首先,基于MMC的基本等值电路,提出了连接变压器阀侧空载额定电压的确定方法。其次,引入等容量放电时间常数的概念,发现电容电压波动率与等容量放电时间常数之间的关系基本不随具体工程而变,即具有跨工程的普遍适用性,因而可以一般性地给出子模块的电容参数。接着,基于MMC的解析数学模型考察了四种极端工况下子模块功率器件所承受的电压和电流水平,发现子模块功率器件的负载水平会随运行工况的改变而发生巨大变化。然后,引入二倍频环流谐振角频率和相单元串联谐振角频率的概念,提出了桥臂电抗器参数的取值原则。最后,基于抑制故障电流上升率和不引发换流器闭锁两个因素,给出了平波电抗器参数的选取方法。(3)MMC型直流电网的启动控制策略MMC各相桥臂的子模块中包含大量的储能电容,换流器在进入稳态工作方式之前,必须采用合适的启动控制来对这些子模块储能电容进行预充电。系统整个启动过程可以分为不可控充电阶段和可控充电阶段。在不控充电阶段,分析了 MMC交流侧接有源系统和接无源系统时的充电特性,表明每种系统都有相应的最大充电率。在可控充电阶段,提出了两种可以继续提升子模块电容电压的方法,分别是直流电压斜率控制和子模块有序解锁控制,并分析了不同控制策略下的充电特性。通过所提出的启动控制策略,系统可以从不带电状态平滑过渡到稳定运行状态。(4)MMC型直流电网的稳态控制策略稳态控制策略直接决定了 MMC型直流电网的稳态性能,因此有必要研究适用于MMC型直流电网的稳态控制策略。首先,系统介绍了MMC型直流电网的三种控制策略,分别是主从控制策略、直流电压下垂控制策略和带直流电压下垂的主从控制策略。其次,为了维持系统直流电压的稳定,提出了柔性直流电网的二次调压控制,表明采用二次调压控制之后,电压基准站的直流电压能够维持在基准值上,且全网的功率波动可以由所设定的多个换流站共同消纳。(5)MMC型直流电网的故障特性分析研究柔性直流电网的故障特性及其在不同故障处理策略下的响应特性,有助于理解故障机理和故障发展过程,并为后续设计适用于直流电网的直流故障处理策略提供理论基础。首先,针对MMC闭锁前和闭锁后电路特性,分别得到了闭锁前后MMC的基本等效电路。其次,采用运算电路法,将时域中的暂态电路转化成复频域下的稳态电路,进而求解出了故障电流的解析表达式。然后,根据直流故障的三种不同处理策略,推导了相应的故障电流解析表达式,并对比分析了不同处理策略对系统的影响。(6)MMC型直流电网的直流故障处理策略直流故障的快速隔离技术是制约直流电网发展的最重要技术瓶颈。首先,根据故障处理方式不同,从理论上论述了直流电流开断的两条基本途径,分别是串入无穷大电阻断流法和串入电容器改变直流故障电流性质法。其次,介绍了基于串入无穷大电阻断流法的直流断路器实现方案。然后,针对基于串入电容器改变直流故障电流性质法,提出了三种原理上可行的直流断路器拓扑,并对比分析了这几种直流断路器的经济性。最后,针对高压直流断路器供电困难的问题,提出了无需外部辅助电源的自供电控制策略。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM721.1
【图文】：

阶梯波,桥臂,正整数,跃变

浙江大学博士学位论文逦第２章ＭＭＣ的完整解析数学模型及其稳态特性逡逑式中，左＝１，２，３．．．为正整数（本节公式推导中用到的６都取正整数）；｝＾邋＝办＼＾，逡逑Ａ邋为谐波次数；／（ｈ）＝文邋ｃｏｓ邋（叫），式中，ｓ邋＝邋ｍｉｎ（邋ｒｏｕｎｄ（邋ｔ／ｖｒｅｆ邋／邋ｔ／ｃ），邋ＡＶ２邋）表示第逡逑／＝１逡逑一个１／４周期内电平跃变的总次数，运算符ｒ0Ｕｎｄ（ｘ）表示取与ｘ最接近的整数；逡逑久＝ａｒｃｓｉｎ（邋（／邋－邋０．５邋）邋？７Ｃ邋／邋Ｌ／ｖｒｅｆ）表示第ｆ次电平跃变所对应的电角度。逡逑“

子模块,直流分量

（ａ）波形图逦（ｂ）谐波分布图逡逑图２－１１子模块电容电流集合平均值波形逡逑２．７．４相环流逡逑相环流的波形如图２－１２（ａ）所示，从图中可以看出，解析计算波形与仿真波逡逑形吻合。相环流的谐波幅值分布如图２－１２邋（ｂ）所示，可以看出，相环流主要为偶逡逑数次谐波（直流分量在这里没有画出），除直流分量外，二次谐波分量最大，其逡逑他次谐波分量非常小。逡逑

电流波形,电位差,电流,子模块

图２－１７点Ｅｐａ和点Ｅｎａ之间电位差逡逑

【参考文献】