多端柔性直流输电系统动态模拟及协调控制策略研究

发布时间：2017-09-19 07:37

  本文关键词：多端柔性直流输电系统动态模拟及协调控制策略研究

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【摘要】：随着电力工业的发展,全控型半导体器件被越来越多地应用到电力的传输、分配、电能质量的提高等领域之中,基于全控型半导体器件的电压源换流器(VSC)技术以及其在高压直流输电(HVDC)领域中的应用得以飞速发展。柔性直流输电技术具有以下优点：可以独立控制有功和无功功率；能够向无源网络供电；在潮流反转时仅需调整直流电流方向,从而更加适用于构建多端网络等。多端柔性直流输电(VSC-MTDC)技术是指使用到多个电压源换流器的柔性直流输电技术,其不仅具有两端系统的所有特性,同时还可以用于构建多个送电端、多个受电端的直流输电网络。由于VSC-MTDC系统在新能源并网、构建城市输配电网领域的独特优势。多端柔性直流输电系统相比于两端系统而言拥有更高的灵活性和实用性,适用领域更加宽广,但与此同时,多端柔性直流输电系统在控制器设计以及控制策略选择上更为复杂,因此设计和选择合适的控制策略是构建多端直流系统的关键所在。目前已有的研究成果多停留在数字仿真阶段,而多端柔性直流输电是一个复杂的非线性、多变量的系统,因此有必要建立一个动态模拟实验平台对多端柔性直流输电系统进行实验研究,以反映其在实际运行环境中的运行特性。本文首先简要介绍了国内外柔性直流输电技术的研究与发展现状,分析了电压源换流器的主要拓扑结构与运行原理,在不同坐标系下的数学模型与解耦控制方法；随后,基于分层控制的原理,结合矢量控制策略,对系统控制方式和主电路系统参数进行设计和选择,在PSACD/EMTDC中搭建仿真模型,对其控制方式的有效性和可行性进行仿真验证。然后,针对现阶段多端柔性直流输电系统在直流故障闭锁中存在的不足,分析了不同结构的多电平换流器(MMC)在发生直流故障时短路电流的情况,提出了一种改进的MMC拓扑结构,基于错位层叠理论和换流器闭锁直流故障的原理,设计了一种适用于多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统的混合型MMC拓扑结构,并结合VSC-MTDC系统直流故障时的处理原则详细说明了实现故障线路切除、非故障线路恢复的过程。接着,本文分别对多端柔性直流输电动态模拟系统进行了硬件电路设计和主要程序编写过程的介绍。基于PM10CSJ060三菱IPM模块,并以TMS320F2812定点型DSP控制器为控制核心,建立多端柔性直流输电系统等比例动态模拟实验平台。文中对其主电路以及外围电路参数与器件的选择进行分析,给出了系统主电路的原理图,以及相关系统程序的实现方法。最后,本文以此设计为基础,在实验室环境下采购相关器件并搭建了一个低电压、低功率的多端柔性直流输电系统动态模拟实验平台,设计了一套风电光伏并网逆变设备,并将其接入所搭建的实验平台之中,进行了典型的运行实验,给出了示波器波形图与相关的结果分析,通过实验验证了所建立的实验平台运行效果以及控制方式的有效性和可行性。
【关键词】：多端柔性直流输电 动态模拟实验平台 直流故障穿越 协调控制 优化控制
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM721.1
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 课题背景12
• 1.2 多端柔性直流输电技术12-17
• 1.2.1 多端柔性直流输电系统的结构特点13-15
• 1.2.2 多端柔性直流输电技术的工程应用和发展前景15-17
• 1.3 VSC-MTDC国内外研究现状17-20
• 1.3.1 数学模型和运行特性17-18
• 1.3.2 新型拓扑结构及其控制方式18-19
• 1.3.3 多端系统协调控制策略19
• 1.3.4 故障保护与处理策略19-20
• 1.3.5 交直流互联方面的应用20
• 1.4 本文的主要工作20-22
• 第2章 多端柔性直流输电的基本原理和控制策略22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 多端柔性直流输电系统的运行原理22-24
• 2.3 柔性直流输电换流器的拓扑结构24-26
• 2.3.1 两电平结构24-25
• 2.3.2 三电平结构25-26
• 2.3.3 模块化多电平结构26
• 2.4 柔性直流输电系统的数学模型与控制器设计26-31
• 2.4.1 直角坐标系下的数学模型26-27
• 2.4.2 dq0坐标系下的数学模型27-28
• 2.4.3 双环矢量控制器的设计28-31
• 2.5 多端柔性直流输电系统的协调控制策略31-33
• 2.5.1 主从控制策略31-32
• 2.5.2 电压下降控制策略32-33
• 2.6 多端柔性直流输电系统的仿真33-35
• 2.6.1 仿真系统的搭建与参数选择33-34
• 2.6.2 仿真结果与分析34-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第3章 新型换流器拓扑结构及应用于MTDC直流故障控制策略分析36-50
• 3.1 引言36-37
• 3.2 直流故障闭锁能力分析37-40
• 3.2.1 换流器故障闭锁原理37-38
• 3.2.2 全桥型子模块闭锁分析38-39
• 3.2.3 箝位双子模块闭锁分析39-40
• 3.2.4 级联双子模块闭锁分析40
• 3.3 基于错位层叠理论的混合型MMC拓扑结构40-43
• 3.3.1 错位层叠理论在MMC中的应用40-42
• 3.3.2 混合型MMC拓扑结构42-43
• 3.4 HMMC-MTDC系统直流故障控制策略分析43-45
• 3.5 仿真分析45-49
• 3.5.1 系统稳态控制仿真及分析45-47
• 3.5.2 直流侧永久性双极短路故障仿真及分析47-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第4章 VSC-MTDC动态模拟实验平台设计50-67
• 4.1 引言50
• 4.2 换流站的主要设备与基本控制原理50-52
• 4.2.1 换流站主要设备及其作用51-52
• 4.2.2 换流站的控制系统介绍52
• 4.3 VSC-MTDC系统硬件电路设计52-60
• 4.3.1 系统整体设计52-53
• 4.3.2 换流站主电路设计53-56
• 4.3.3 系统控制电路设计56-60
• 4.4 风光并网控制系统设计60-62
• 4.4.1 并网控制系统的整体设计60-61
• 4.4.2 并网逆变器的设计61-62
• 4.5 VSC-MTDC系统控制程序设计62-66
• 4.5.1 系统主程序设计62
• 4.5.2 双环控制子程序设计62
• 4.5.3 A/D转换子程序设计62-63
• 4.5.4 数字PI算法子程序设计63
• 4.5.5 PWM生成算法子程序设计63-66
• 4.6 本章小结66-67
• 第5章 直流动模系统的建立与实验分析67-76
• 5.1 引言67
• 5.2 直流动模系统67-70
• 5.2.1 换流站主电路模块67-68
• 5.2.2 系统控制电路模块68-69
• 5.2.3 风电、光伏发电与并网设备69-70
• 5.2.4 包含风光并网设备的多端直流实验系统70
• 5.3 系统实验与分析70-75
• 5.3.1 系统正常运行实验与结果分析70-73
• 5.3.2 风光并网设备并网电压波动时系统运行实验与结果分析73-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第6章 总结与展望76-79
• 6.1 总结76-77
• 6.2 展望77-79
• 参考文献79-85
• 附录85-88
• 致谢88-89
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文89-90
• 学位论文评阅及答辩情况表90

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