基于MMC的柔性直流输电稳态分析方法及控制策略研究

发布时间：2018-04-21 17:32

本文选题：模块化多电平换流器 + 柔性直流输电　；参考：《山东大学》2017年博士论文

【摘要】：与传统两电平或三电平电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)相比,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有许多无法比拟的优势:比如1)结构模块化,可以通过增加子模块个数方便地扩展功率、电压等级;2)开关频率低,显著减小了换流器及直流输电系统整体损耗;3)波形质量高,极大降低了对交直流侧滤波器的要求;4)均压难度低,采用子模块串联而非器件直接串联技术,大大降低了器件均压难度;5)运行可靠性高,方便的子模块冗余设计和桥臂电感直接串联结构提高了换流器运行的安全可靠性。由于上述优势,基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(Modular MultilevelConverter Based HVDC,MMC-HVDC)被认为是最具潜力的柔性直流输电方式,也是近年来国内外实际工程中普遍采用的柔性直流输电方式。MMC-HVDC在远距离大容量输电,异步电网互联,分布式电源接入电网,风电场发电并网,无源海岛、钻井平台、偏远地区供电及城市电网增容改造等诸多领域均有广阔的应用前景,成为近年来国内外学术界研究的焦点,工业界关注的焦点。虽然MMC-HVDC有诸多优点,但是其机理分析,控制策略等均比传统VSC-HVDC更为复杂。为了保证MMC-HVDC的可靠经济设计,安全稳定运行及故障穿越能力,对MMC及其构成的柔性直流输电系统进行精确的稳态机理分析,可靠的控制系统设计,快速的并网策略研究,均有十分重要的理论研究价值和工程实用价值。本文主要利用理论分析,仿真验证及部分实验相结合的手段,重点研究MMC及相应柔性直流输电系统的稳态运行机理,快速并网锁相,不同工况下的功率解耦控制及环流电流抑制等相关问题。(1)MMC的闭环时域稳态分析方法。精确的时域稳态分析可以实现MMC及MMC-HVDC的电气量评估,电路参数设计及半导体器件选择,是工程规划和工程运行中极其关键的技术。提出了一种闭环时域稳态分析方法,首先假定MMC精确调制函数及内部环流均为未知量,然后基于经典循环耦合原理在MMC内部构建两个闭合分析环路,以此建立两个非线性环路方程求解精确调制函数,环流电流及所有被其耦合的MMC内部电气量。提出的闭环稳态分析方法在MMC整个功率运行范围内均能保持很高的分析精度,且此分析精度不受运行条件影响。除此之外,该方法还能实现MMC-HVDC系统交流侧电压的优化设计和选择。(2)MMC-HVDC在复杂电网环境下快速精确并网锁相技术。该技术是实现MMC-HVDC正常并网运行,功率解耦控制及故障穿越的基础。提出了一种微分滑动滤波快速锁相技术。该技术将随输入信号频率变化而在线变化的比例模块引入滑动滤波锁相环(Moving Average Filter based Phase Locked Loop,MAF-PLL),以此快速滤除最低次谐波减小滑动滤波模块的窗口宽度,提升锁相速度。由于比例模块不会引入相位滞后,因此不会影响锁相系统稳定性。该锁相技术结构简单,计算量低,可以在复杂电网环境下,比如故障、高谐波污染、直流偏置等,实现精确、快速锁相,为所有并网换流器(包括MMC)及柔性直流输电系统的安全运行、可靠控制及故障穿越等提供保障。(3)MMC-HVDC不同工况下的功率解耦控制策略。研究了 MMC-HVDC在对称及不对称电网条件下的有功、无功解耦控制策略。交流电网不对称时,对旋转坐标系下的分序解耦比例积分(Proportionallntergral,PI)控制策略及静止坐标系下的比例谐振(Proportional Resonant,PR)控制策略进行了详细的对比分析及仿真验证。研究发现基于PR的MMC-HVDC功率解耦控制策略可以在静止坐标系下实现,无需交流电气量正负序分离、分序控制以及坐标变换和反变换,因此具有更加简单的控制结构和更低的计算量。(4)MMC-HVDC环流电流抑制策略。MMC自身拓扑结构和工作原理不可避免引起桥臂环流。研究了 MMC内部环流产生的机理及相应的环流抑制策略。得出在不对称电网条件下,将MMC环流抑制策略直接应用于MMC-HVDC系统时可能会引起直流母线电压波动或无法完全消除零序环流。针对这一问题,设计了新的MMC零序环流控制器并提出了相应的改进MMC-HVDC环流抑制策略。改进抑制策略结构简单,易于实现,在不增加额外成本的情况下能够完全消除对称及不对称电网条件下MMC-HVDC的内部环流,直流母线电流及电压波动,大大提升了系统整体运行性能及稳定性。
[Abstract]:Compared with the traditional two - level or three - level voltage source converter ( VSC ) , the modular multilevel converter ( MMC ) has many incomparable advantages : ( 1 ) the modular multilevel converter based HVDC ( MMC - HVDC ) is considered to be the most potential flexible direct current transmission mode . This paper presents a closed - loop steady state analysis method for MMC - HVDC system . ( 3 ) The control strategy of active and reactive decoupling of MMC - HVDC under different operating conditions is studied . The control strategy of active and reactive decoupling of MMC - HVDC under the condition of symmetric and asymmetric power grid is studied . The mechanism of MMC - HVDC power decoupling control strategy and proportional resonant ( PR ) control strategy under stationary coordinate system are discussed in detail .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM721.1

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