当前位置:主页 > 科技论文 > 数学论文 >

HVDC系统数学模型及其控制策略

发布时间:2016-11-16 12:16

  本文关键词:MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略,由笔耕文化传播整理发布。


第24卷第4期

2012年8月

电力系统及其自动化学报

ProceedingsoftheCSU—Et’SA

V01.24Aug.

No.42012

MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略

曹春刚,赵成勇,陈晓芳

(华北电力大学(保定)电气与电子工程学院,保定071003)

摘要:模块化多电平换流器MMC(modularmuhilevelconverter)是电压源换流器型直流输电领域的一种新型

拓扑.与传统的两电平存在一定的不同.因而对其建模及控制策略进行研究,有重要的意义。论文介绍了MMC的拓扑结构及工作原理。在考虑桥臂电抗的基础上,推导出模块化多电平换流器型直流输电MMC_

HVDC(modularmultilevelconverter.highvoltagedirect

current)的数学模型.进一步得到MMC—HVDC的简

化电路图。在PSCAD/EMTDC下搭建了21电平MMC—HVDC系统.在dq同步旋转坐标系下,采用前馈解耦控制策略进行仿真研究,仿真结果验证了该数学模型的正确性和控制策略的有效性。关键词:模块化多电平换流器;桥臂电抗;数学模型;简化电路图,控制策略中图分类号:TM721.1

文献标志码:A

文章编号:1003—8930(2012)04—0013—06

MathematicalModelandControlStrategyofMMC—HVDC

CAOChun—gang,ZHAOCheng—yong,CHENXiao—fang

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,

Baoding071003,China)

Abstract:Modularmultilevelconverter(MMC)is

conventionaltWOlevelVSC.Therefore,itis

newtopologyinVSC—HVDC,whichisdifferentfromthe

tO

significant

studythemodelingand

controlstrategyofMMC—

reactance

HVDC.ThetopologyandworkingprincipleofMMC

are

introducedinthispaper.Consideringthe

of

thebridge,themathematicmodeloftheMMC—HVDCwasdeveloped。andthesimplifiedcircuitdiagramof

MMC—HVDCwasobtained.The2l—IeveIMMC—HVDCsystemwasconstructed

in

PSCAD/EMTDCenviron—

ment.Inthesynchronousdqreferenceframe.thefeedforwardcompensationcontrolstrategyisapplied。andthesimulationresultsverifythatthemathematicalmodeliscorrectandthecontrolstrategyiseffective.Keywords:modularmultilevelconverter(MMC);reactanceofthebridge;mathematicmodeldiagram;controlstrategy

simplifiedcircuit

电压源换流器型直流输电VSC—HVDC(voltage

source

过子模块电压叠加达到较高的电压输出.输出电压谐波含量少。另外,模块化的结构使其可扩展性增强.为子模块的投入、退出运行提供了冗余.而且通过改变投入的子模块的数鼍.可实现电压及功率等级的灵活变化.并可扩展到更多的电平输出,因而MMC—HVDC更适合灵活的输电方式[7 ̄1…。

MMC—HVDC作为应用于柔性直流输电领域的一种新兴技术,有其独特的优势。但围内外对于MMC—HVDC的研究时间还较短.实际工程的应用

converter-highvoltagedirectcurrent),具有有功

无功灵活可调、占地面积小、环境污染小、具备黑启动能力等显著优点,在可再生清洁能源(如风能和太阳能)的大力开发和利用,城市配电网转入地下改造等领域得到越来越广泛的应用[1 ̄5]。

目前的VSC—HVDC工程大多采用两电平或三电平的VSC,开关器件的串联会导致器件的动态均压问题,影响系统运行的稳定性【6]。MMC通

收稿fI期;2011。08‘22I修网F{期t

2011?09一08

基金项目l“十一五”团,采科技支撑计划重大项目(2010BAAolB01)I高等学校学科创新引智计划(B08013)

万方数据

?

14

?

电力系统及其自动化学报

第24卷

经验也较少,因而对于MMC~HVDC进行系统建模和控制策略方面的研究就有很重要的意义。文献[11]建立了MMC—HVDC系统的数学模型,并提出了适于MMC的控制策略,但建模过程中未考虑桥臂电抗的作用。文献[12]研究发现MMC每相上下两个交流输出端电位非常接近,进而认为是等电位的,通过等电位点虚拟短接,对MMC—HVDC进行了建模和控制策略的研究,,其不足是对等电位点的认定是近似的。

本文分析了MMC拓扑结构和T作原理,在考虑桥臂电抗基础上,推导出MMC—HVDC系统的数学模型,并得到其等效的精确电路模型,根据该

电路模型,把传统VSC的幽前馈解耦控制策略引

入MMC—HVDC系统,最后在PSCAD/EMTDC环境下对数学模型和控制策略进行了仿真验证。

模块化多电平换流器的拓扑结构及工作

原理

图1为MMC—HVDC一侧系统的拓扑结构。

至模块rI+l子模块

圈1

MMC-HVDC一侧系统拓扑结构图

Fig.1

TopologyofMMC-HVDCMMC每相由上下两个桥臂共2九个子模块SM(submodule)构成,每个桥臂由玎个子模块和一个桥臂电抗L串联而成。其子模块由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成,“sM为子模块的端口输出电压,i。M为该子模块所在桥臂的电流,Uc为子模块的电容电压。通过T。和Tz的通断.可以使

子模块处于投入、切除和闭锁三种状态.从而实现子模块的投入与切除。

对于模块化多电平换流器.每个桥臂的子模块可独立控制,从而每个桥臂可等效为一个可控的电压源。MMC一侧系统的等效电路图如图2所示。

图中,“。、M幽、H,分别为交流系统三相母线电压的基波相量;i。、i。。、i。分别为交流系统三相母线

万方数据

电流的基波相量;R、L。分别为换流电抗器的等效

图2模块化多电平换流器一侧系统等效电路图

Fig.2

Equivalentcircuit

diagramofMMC

电阻和等效电感;L为MMC换流器一相一个桥臂的桥臂电抗;“。、‰、“。分别为换流器三相输出电压

的基波相量;“。。、鼬分别为a相上下桥臂的电压;

‰1、“。2、‰1、“b2、“。l、“c2分别为三相上下桥臂除桥臂电抗器的电压。

以a相为例,由图2可得MMC系统的直流电压、交流电压和上下桥臂电压之间的关系为

“。p一寺“d。一“。

(1)

厶1

M。d一÷“d。+“。

(2)

由式(1)和式(2)可得

“。+“|d=Ud。

(3)

“。一÷(“。d一“。p)

(4)

由式(3)和式(4)可得,MMC正常运行原理

如下:

(1)直流电压是由换流器上桥臂和下桥臂的电压相加而得到的,为了保持直流电压的稳定,就必须保证每个相单元投入的子模块个数相等。

(2)通过调整上桥臂和下桥臂电压的幅值和相角,就可得到所期望的多电平电压输出。

考虑桥臂电抗的MMC-HVDC的数学模型与控制策略

2.1

考虑桥臂电抗的MMC—HVDC的数学模型MMC与传统的两电平VSC的一个显著区别

是:MMC系统每个桥臂由若干个结构相同的子模块与一个桥臂电抗器L串联构成。因而在系统建模时.桥臂电抗也应考虑在内。

考虑桥臂电抗时.MMC系统直流侧与交流侧电压、电流之间的关系如下

第4期曹春刚等:MMC—HVDC系统数学模型及其控制策略

?

15

?

z。a2

z-1—t.1a2

LbJ

“。一“。=屯R+L,鲁(6)

“。=L鲁+警刈a?(7)

“。=L鲁一警+“。z

(8)

M。=虿1(“茈Ual)+导半

由式(5)~式(8)可得(9)

把式(9)代人式(7)整理可得(L。+虿L)-小g/-+i。R=“。一“。(10)

同理可得

(L,+导)百di,b+如R—M。。一‰

(11)

(L,+虿L)鲁+≮R—Use

Ue

(12)

式(10)~式(12)即为考虑换流电抗与桥臂电抗时,MMC-HVDC系统在三相静止坐标系下的数学榄珏!J.茸{井一弗简化等枯由略图如图3所示.

fd。

直流o

衡系

圈3

MMC?HVDc一侧系统简化等效电路图

Fig.3

SimplifiedequivalentcircuitdiagramofMMC

2.2

考虑桥臂电抗的MMC-HVDC的控制策略由式(10)~式(13)和图3可知.等效后的

MMC—HVDC系统,相当于上下桥臂电抗并联后再与换流电抗器串联。其结构与传统的VSC—HVDC类似,可采用传统的VSC—HVDC的控制策

略‘13~1引。

将式(10)~式(12)转换到砌坐标系可得

(L+导)警=“耐B

Vd

i。R+叫(L,+导)i。

(13)

(L,+导)韭dt=“。一‰一i曩一cu(L,+导)i一

(14)

式中:URd、“叼、i。、f。分别为交流母线基波电压和交

万方数据

换流器输出基波电压的d轴和q轴分量。幽坐标系

方向规定为:交流系统三相母线电压基波相量与d轴同相位,则U。=0。

T(口)="52-l一-sinsin0,fc。鲫cosca一和cosc一+扣]

l一

sin(0一≥。,一sin。。+挲。,l

一÷Ⅱ)一

(口+÷Ⅱ)|

在同步由旋转坐标系下的数学模型。其内环电流

控制器设计如下:

珊=“耐一iaR一(L,+导)警+甜(L,+导)i。=比d—K,(h。。一幻)--K,.f(‰。。一

id)d£+c£,(L+iL)i。

(16)

%=“叼一i挥一(L,+iL)面dia一∞(L。+

导)幻=“钾一K,(。。t一‘)--K。f(i。。r—

i。)dt--御(L,+虿L)幻

(17)

式中i州、Z‘qret从外环功率控制器的输出获得。

在本文所选同步由旋转坐标系下,稳态时交

流系统与换流器交换的功率可表示为

P=吾(““f。+“叼i。)=虿3M耐i一一号“。舀Q一虿3(“婶i一一“一i。)一一号““i。=一吾“^

(19)

式中U。为交流母线三相电压基波相量的有效值。

由式(18)、式(19)可得,id、i。的估算值分别为

b:擎(20)

幻一等

(21)

引入PI控制器。以消除稳态误差,结合式(20)

和式(21)可得ia。f、i州表达式为

珏。f一百2P

JU。

r,‘+KP(P一一P)+KI

f(P州一P)d£

(22)

。f.-等十KP(Q扩Q)+Kl,(Q扩Q)d£

(23)

当采用定直流电.压控制时

16

?

电力系统及其自动化学报

第24卷

iar。f=K,(Udcref--Udc)+K。J.(Mdcref--Udc)df

(24)

由式(16)、式(17)及式(22)~式(24)可得其控制原理图如图4所示。

.2....P....—re—f

3u

Ⅱ甜

(a)有功功率控制原理图

—..2...Q...—re—f

Q"f

(b)无功功率控制原理图

(c)直流电压控制原理图

图4由前馈解耦控制原理图

Fig.4

Principle

diagram

ofdirectcurrentcontrol

系统仿真与分析

为了验证推导出的MMC—HVDC系统的数学模型的正确性,在PSCAD/EMTDC中搭建了MMC-HVDC两端系统,采用上文推导出的控制策略,进行了仿真验证。

文献[16]对主电路参数进行了合理设计,交流系统参数为:两侧交流电源线电压有效值为220kV,两侧换流变压器变比均为220/210kV,换流电抗取0.1P.U.,换流电感为5mH。等效损耗电阻为1Q。直流侧系统参数为:额定直流电压U。。=

400kV。

换流器由6个桥臂构成,每个桥臂有20个子模块。电平数为21。子模块电容值为3mF,桥臂电抗为40

mH。

MMCl侧采用定直流电压控制和定无功功率控制。MMC2侧采用定有功功率控制和定无功功率控制。

本文采用文献[17]的基于载波移相的电容电压平衡调制策略。

(1)无功功率阶跃情况下的仿真

直流电压不变,MMCl侧的无功功率定值在

2.5

S时由0Mvar阶跃到一40Mvar,3S时由一40

万方数据

Mvar阶跃到40Mvar。

MMC2侧的无功功率定值在2.5S时由0Mvar阶跃到一40Mvar,3S时由一40Mvar阶跃到

40

Mvar。仿真结果如图5所示。

430

>420

【,dc,ef

瞧390删380

U血

370

1.50

2.00

2.503.003.50

4.004.505.00

tls

(a)MMCl侧直流电压

等l

羹/QmⅢ

藁一

kJ、Q。

一1

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.004.505.00

tls

(b)

MMCl侧无功功率

≥芏

嚣罨蜒

tls

(c)MMC2侧有功功率

-1

Qlnv他f

雷嚣一U

I/

Q。

一l

1.50

2.00

2.50

3.003.504.004.50S.00

tls

(d)MMC2侧无功功率图5

无功功率阶跃时的仿真结果

Fig.5

Simulationresultswhenreactivepowerchanges

(2)有功功率阶跃情况下的仿真

直流电压不变,无功功率定值为0Mvar,MMC2侧有功功率定值在2.5S时由一400MW阶跃到一500MW,3.8S时由一500MW阶跃到~400Mw。仿真结果如图6所示。

(3)有功功率翻转情况下的仿真

直流电压不变,无功功率定值为0Mvar。有功功率定值在3S时由一400MW变为100Mw,即3S之前由MMCl侧向MMC2侧送400MW的有功,

S之后潮流翻转,由MMC2侧向MMCl侧送100MW的有功。

仿真结果如图7所示。

第4期

曹春刚等:MMC—HVDC系统数学模型及其控制策略

?

17

?

从图(5)、图(6)和图(7)可以看出:

1)当无功功率、有功功率指令值发生阶跃时,系统的无功、有功能够快速跟踪指令值的变化,有功与无功之间的影响较小,解耦性能较好。

2)有功功率阶跃时,直流电压波动较小,且能较快的恢复稳定值。

3)当有功功率发生翻转时,对直流电压影响较大,但波动仍在10%以内,整流侧的无功功率有短时的波动,并较快恢复额定值,对逆变侧无功功率的影响较小。

由仿真分析可知。所搭建系统对于有功阶跃及无功阶跃都具有较快的响应速度,能较快的恢复稳定运行,并可快速地实现潮流翻转。

锄蠛锄

t/s

(a)MMCl侧直流电压

150

:100

/旦“ref

Q孟

恫一100

一150

1.50

2.oo2.503.003.504.00

4.50

5.00

t/s

(b)MMCl侧无功功率

tls

(c)MMC2侧有功功率

-1

主1

嚣抄Vref

蠢/

懈一

Qinv

万方数据

锄提枷

tls

(a)MMCl侧直流电压

≥l

=I

舌i}蠡儿/口rccrcf

雷一艇一I

Q¥

—l

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.004.505.00

tls

(b)MMCl侧无功功率

(c)MMC2侧有功功率

≥;

蚕嚣

Q…"f葵;

1’0二’

一i

1.50

2.00

2.50

3.00

3.504.004.505.00

tls

(d)MMC2侧无功功率图7

有功功率翻转时的仿真结果

Fig.7

Simulationresultswhenrealpower

rever淞

结语

本文在考虑桥臂电抗的基础上,推导出了

MMC的数学模型,并得到其简化电路模型,该模型与传统VSC的拓扑结构类似。将传统VSC的控制策略应用到MMC系统中,通过对21电平

MMC—HVDC系统进行建模仿真。验证了该数学模

型的正确性以及由前馈解耦控制策略的有效性。参考文献:

r1]徐政.陈海荣(Xu

Zheng.Chen

Hairong).电压源换流

器型直流输电技术综述(Reviewandapplicationsof

VSC

HVDC)EJ].高电压技术(High

VoltageEngi—

neering).2007.33(1):1—10.

博泰典藏网btdcw.com包含总结汇报、自然科学、计划方案、表格模板、出国留学、医药卫生、教学研究、行业论文、初中教育以及MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略_图文等内容。

本文共2页12


  本文关键词:MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略,由笔耕文化传播整理发布。



本文编号:177103

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/yysx/177103.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户40573***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com