基于MMC的柔性直流输电系统控制策略研究
发布时间：2021-07-31 19:58
模块化多电平换流器（Module Multilevel Converter,MMC）具备输出波形质量高、开关损耗低、方便扩容等诸多优势,作为最具工程应用前景的新一代电压源换流器,愈来愈受到柔性直流输电领域的青睐。本文以基于MMC换流器的柔性直流输电系统（MMC-HVDC）作为研究对象,在分析MMC基本工作原理和运行特性的基础上,开展MMC-HVDC输电系统相关控制策略的研究。首先,分析了MMC拓扑结构、子模块工作方式和三相MMC的工作原理,建立了MMC在d-q同步旋转坐标下的数学模型。对比研究了多种调制策略的原理和特性,并选用最近电平逼近调制作为MMC-HVDC输电系统的调制方式。其次,分析了子模块电容电压的波动机理、传统电容电压均衡控制策略的应用效果及其可改进之处,确立了用于对比不同电容电压均衡控制策略优劣性的四个评价指标。为提高对瞬时电容电压值的排序效率,选用了具有线性时间复杂度的计数排序算法,提出了电容电压值等概率分段预处理方法。为降低MMC开关频率,分别提出了定阈值法和优先系数法电容电压均衡控制策略。结合以上控制策略和排序方法,实现了电容电压的快速均衡控制。更进一步地,设计了一...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1电平MMC
幽？榈缛萜鞅旧硭鸷暮偷缛葜档炔?数也必然存在着差异，造成各子模块运行过程中电容电压瞬时值互不相同，且存在一定的离散性，从而产生子模块电容电压不均衡问题。当电容电压差异过大时，相单元输出电压差异增大，不仅会加剧桥臂环流，还将使输出电压波动增大，影响电能质量。在直流电压Udc=400kV，桥臂电感L=4mH，子模块电容C=10mF，控制周期Tctrl=100μs的21电平MMC仿真模型中(以MATLAB/Simulink为仿真平台)，按NLM调制需求的子模块数量，随机选择子模块进行投入时，A相上桥臂子模块电容电压变化、A相输出电压波形分别对应图3.1、图3.2。由图3.1可以看出，MMC换流器运行0.5s后就已有额定电压UCN=20kV的子模块电容电压偏离额定值10%以上，且随着时间的推移，子模块电容电压不仅偏离值增大，而且各子模块电容电压离散度增加，电容电压差异越加显著。在随机投入控制之下，子模块的开关频率很高，其平均开关频率可达到1/2fctrl，造成开关损耗极高。由图3.2可见，随机选择子模块进行投入时，相单元的输出电压虽然大体上依旧可以得到接近正弦波的输出电压，但每一输出电平局部电压波动明显，谐波增加，降低了电压质量，可以预见，电容电压离散度越高，差异越大，其输出波形质量就越差。可知，要获得较好的波形质量，就要保证子模块电容电压相互之间差异较小，偏离额定电压值较少，因此，NLM调制方式下，应该对电容电压均衡控制策略进行改进。时间/s电压/V图3.1随机选择子模块投入时电容电压变化情况
昆明理工大学专业学位硕士学位论文28时间/s电压/V交流侧输出电压上桥臂输出电压下桥臂输出电压图3.2随机选择子模块投入时输出电压波形根据电容元件的伏安特性，电容电压的变化规律满足下式：00001()()()tCCCtUtUtidC（3-16）式中UC(t0)为t0时刻子模块的电容电压，C0为子模块的额定电容值，(t-t0)为子模块电容器的工作时间，iC0(τ)为流过子模块电容的电流值。分析式（3-16）可知，子模块电压具有记忆性，t时刻的电容电压不仅与t0时刻的电容电压值有关，还与(t-t0)时间段内流过电容器的电流iC0(τ)的贡献相关。因此，可以对UC(t0)、C0、iC0(τ)和(t-t0)四个要素进行控制从而实现对当前电容电压值的控制，其中C0越大电容电压值的波动越小，但过大的C0意味着更大的电容器体积和更高的成本投入。除去换流站启动阶段的预充电控制，其余时刻控制UC(t0)即控制UC(t)；iC0(τ)的方向和大小则主要决定于子模块所在桥臂和MMC换流器的运行容量；可见，根据MMC的运行状态，可实时加以控制的要素为子模块电容器的工作时间，即通过控制(t-t0)时间段内子模块的投入或切除，控制电容器的充放电时间，以达到对单个子模块电容电压控制的目的。子模块工作状态与电容电压值的变化原理如图3.3所示。UC未投入充电放电t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9tUC(t0)图3.3子模块电容电压变化原理示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]MMC-HVDC阀组控制策略分析[J]. 赵海颐,冉华军. 通信电源技术. 2019(07)
[2]基于PI控制的MMC-HVDC环流抑制策略[J]. 刘英杰,宋吉江,牛轶霞. 山东工业技术. 2018(19)
[3]模块化多电平换流器的载波层叠脉宽调制策略分析与改进[J]. 白志红,周玉虎. 电力系统自动化. 2018(21)
[4]MMC均压控制策略研究综述[J]. 朱余林,袁旭峰,胡实,高志鹏,李芷萧. 新型工业化. 2018(07)
[5]一种改进的模块化多电平换流器电压均衡控制策略[J]. 张天,姜斌,龚雁峰. 电力建设. 2018(05)
[6]具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构研究[J]. 唐立,袁旭峰,李宁,唐圣辉,谈竹奎. 电网与清洁能源. 2017(05)
[7]基于修正优化归并排序的MMC电容均压策略[J]. 苟锐锋,赵方舟,肖国春,涂小刚. 中国电机工程学报. 2017(01)
[8]适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块拓扑[J]. 刘高任,徐政,张哲任,许烽. 电力系统自动化. 2016(21)
[9]柔性直流输电系统控制研究综述[J]. 李兴源,曾琦,王渝红,张英敏. 高电压技术. 2016(10)
[10]模块化多电平变换器预充电控制策略[J]. 姚骏,谭义,赵磊. 分布式能源. 2016(01)
博士论文
[1]模块化多电平换流器及其控制技术研究[D]. 李彬彬.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于模块化多电平换流器的直流输电系统控制策略研究[D]. 张建坡.华北电力大学 2015
[3]模块化多电平换流器型直流输电若干问题研究[D]. 屠卿瑞.浙江大学 2013
[4]基于模块化多电平换流器的直流输电系统控制策略研究[D]. 管敏渊.浙江大学 2013
[5]VSC-HVDC控制策略研究[D]. 张静.浙江大学 2009
[6]新型直流输电系统损耗特性及降损措施研究[D]. 潘武略.浙江大学 2008
[7]多电平逆变器空间矢量调制技术研究[D]. 刘铮.湖南大学 2008
硕士论文
[1]模块化多电平变换器环流控制策略研究[D]. 吴凡.中国矿业大学 2019
[2]基于MMC柔性直流输电控制策略的研究[D]. 周冠军.山东理工大学 2019
[3]MMC-HVDC输电线路故障识别方法研究[D]. 琚夏阳.昆明理工大学 2019
[4]基于MMC的柔性直流输电系统控制与保护改进[D]. 李宣宸.昆明理工大学 2019
[5]柔性直流输电系统控制策略研究[D]. 王志刚.大连交通大学 2018
[6]LCC-MMC型混合直流输电系统的建模与控制策略研究[D]. 卢雨涵.湖北工业大学 2018
[7]模块化多电平换流器控制策略研究[D]. 滕佳怡.哈尔滨工业大学 2018
[8]MMC-HVDC基本控制策略研究及改进[D]. 胡峰.东北电力大学 2018
[9]模块化多电平换流器型直流输电控制策略研究[D]. 魏娬.西南交通大学 2018
[10]MMC-HVDC线路行波故障定位研究[D]. 钟通运.昆明理工大学 2018
本文编号：3314097
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1电平MMC
幽？榈缛萜鞅旧硭鸷暮偷缛葜档炔?数也必然存在着差异，造成各子模块运行过程中电容电压瞬时值互不相同，且存在一定的离散性，从而产生子模块电容电压不均衡问题。当电容电压差异过大时，相单元输出电压差异增大，不仅会加剧桥臂环流，还将使输出电压波动增大，影响电能质量。在直流电压Udc=400kV，桥臂电感L=4mH，子模块电容C=10mF，控制周期Tctrl=100μs的21电平MMC仿真模型中(以MATLAB/Simulink为仿真平台)，按NLM调制需求的子模块数量，随机选择子模块进行投入时，A相上桥臂子模块电容电压变化、A相输出电压波形分别对应图3.1、图3.2。由图3.1可以看出，MMC换流器运行0.5s后就已有额定电压UCN=20kV的子模块电容电压偏离额定值10%以上，且随着时间的推移，子模块电容电压不仅偏离值增大，而且各子模块电容电压离散度增加，电容电压差异越加显著。在随机投入控制之下，子模块的开关频率很高，其平均开关频率可达到1/2fctrl，造成开关损耗极高。由图3.2可见，随机选择子模块进行投入时，相单元的输出电压虽然大体上依旧可以得到接近正弦波的输出电压，但每一输出电平局部电压波动明显，谐波增加，降低了电压质量，可以预见，电容电压离散度越高，差异越大，其输出波形质量就越差。可知，要获得较好的波形质量，就要保证子模块电容电压相互之间差异较小，偏离额定电压值较少，因此，NLM调制方式下，应该对电容电压均衡控制策略进行改进。时间/s电压/V图3.1随机选择子模块投入时电容电压变化情况
昆明理工大学专业学位硕士学位论文28时间/s电压/V交流侧输出电压上桥臂输出电压下桥臂输出电压图3.2随机选择子模块投入时输出电压波形根据电容元件的伏安特性，电容电压的变化规律满足下式：00001()()()tCCCtUtUtidC（3-16）式中UC(t0)为t0时刻子模块的电容电压，C0为子模块的额定电容值，(t-t0)为子模块电容器的工作时间，iC0(τ)为流过子模块电容的电流值。分析式（3-16）可知，子模块电压具有记忆性，t时刻的电容电压不仅与t0时刻的电容电压值有关，还与(t-t0)时间段内流过电容器的电流iC0(τ)的贡献相关。因此，可以对UC(t0)、C0、iC0(τ)和(t-t0)四个要素进行控制从而实现对当前电容电压值的控制，其中C0越大电容电压值的波动越小，但过大的C0意味着更大的电容器体积和更高的成本投入。除去换流站启动阶段的预充电控制，其余时刻控制UC(t0)即控制UC(t)；iC0(τ)的方向和大小则主要决定于子模块所在桥臂和MMC换流器的运行容量；可见，根据MMC的运行状态，可实时加以控制的要素为子模块电容器的工作时间，即通过控制(t-t0)时间段内子模块的投入或切除，控制电容器的充放电时间，以达到对单个子模块电容电压控制的目的。子模块工作状态与电容电压值的变化原理如图3.3所示。UC未投入充电放电t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9tUC(t0)图3.3子模块电容电压变化原理示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]MMC-HVDC阀组控制策略分析[J]. 赵海颐,冉华军. 通信电源技术. 2019(07)
[2]基于PI控制的MMC-HVDC环流抑制策略[J]. 刘英杰,宋吉江,牛轶霞. 山东工业技术. 2018(19)
[3]模块化多电平换流器的载波层叠脉宽调制策略分析与改进[J]. 白志红,周玉虎. 电力系统自动化. 2018(21)
[4]MMC均压控制策略研究综述[J]. 朱余林,袁旭峰,胡实,高志鹏,李芷萧. 新型工业化. 2018(07)
[5]一种改进的模块化多电平换流器电压均衡控制策略[J]. 张天,姜斌,龚雁峰. 电力建设. 2018(05)
[6]具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构研究[J]. 唐立,袁旭峰,李宁,唐圣辉,谈竹奎. 电网与清洁能源. 2017(05)
[7]基于修正优化归并排序的MMC电容均压策略[J]. 苟锐锋,赵方舟,肖国春,涂小刚. 中国电机工程学报. 2017(01)
[8]适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块拓扑[J]. 刘高任,徐政,张哲任,许烽. 电力系统自动化. 2016(21)
[9]柔性直流输电系统控制研究综述[J]. 李兴源,曾琦,王渝红,张英敏. 高电压技术. 2016(10)
[10]模块化多电平变换器预充电控制策略[J]. 姚骏,谭义,赵磊. 分布式能源. 2016(01)
博士论文
[1]模块化多电平换流器及其控制技术研究[D]. 李彬彬.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于模块化多电平换流器的直流输电系统控制策略研究[D]. 张建坡.华北电力大学 2015
[3]模块化多电平换流器型直流输电若干问题研究[D]. 屠卿瑞.浙江大学 2013
[4]基于模块化多电平换流器的直流输电系统控制策略研究[D]. 管敏渊.浙江大学 2013
[5]VSC-HVDC控制策略研究[D]. 张静.浙江大学 2009
[6]新型直流输电系统损耗特性及降损措施研究[D]. 潘武略.浙江大学 2008
[7]多电平逆变器空间矢量调制技术研究[D]. 刘铮.湖南大学 2008
硕士论文
[1]模块化多电平变换器环流控制策略研究[D]. 吴凡.中国矿业大学 2019
[2]基于MMC柔性直流输电控制策略的研究[D]. 周冠军.山东理工大学 2019
[3]MMC-HVDC输电线路故障识别方法研究[D]. 琚夏阳.昆明理工大学 2019
[4]基于MMC的柔性直流输电系统控制与保护改进[D]. 李宣宸.昆明理工大学 2019
[5]柔性直流输电系统控制策略研究[D]. 王志刚.大连交通大学 2018
[6]LCC-MMC型混合直流输电系统的建模与控制策略研究[D]. 卢雨涵.湖北工业大学 2018
[7]模块化多电平换流器控制策略研究[D]. 滕佳怡.哈尔滨工业大学 2018
[8]MMC-HVDC基本控制策略研究及改进[D]. 胡峰.东北电力大学 2018
[9]模块化多电平换流器型直流输电控制策略研究[D]. 魏娬.西南交通大学 2018
[10]MMC-HVDC线路行波故障定位研究[D]. 钟通运.昆明理工大学 2018
本文编号：3314097
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