MMC多层次仿真技术及其应用研究

发布时间：2017-05-25 06:25

  本文关键词：MMC多层次仿真技术及其应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：相对于传统的基于晶闸管的端对端直流输电,基于电压源换流器(Voltage Source Convertor, VSC)的多端直流输电(Multi-Terminal Direct Current, MTDC)与直流电网(DC Grid),能够实现四象限运行,多电源供电和多落点受电,在区域电网异步互联及可再生能源并网方面优势明显。MMC作为一种最有前途的高压大容量换流器拓扑,受到了人们的极大关注,其优势包括：采用模块化设计,其电压等级很容易扩展；采用冗余设计,其可靠性大幅提高；其开关频率较低,因此,其开关损耗较小；采用多电平设计,其输出的交流电压畸变率很低；不需要交流滤波器。本文以电压源换流器为基础,研究了MMC的拓扑结构与数学原理,基于子模块和子模块组的拓扑结构以及闭锁、半闭锁和解闭锁状态,提出了子模块和子模块组的等效电路以及数学模型,通过其等效电路及数学模型,可以模拟子模块和子模块组的闭锁、半闭锁和解闭锁工作状态,并对其等效电路和数学模型进行了简化。在此基础上,建立了MMC的五种不同简化程度的仿真模型,在研究MMC时,可以根据不同的研究目标,选用不同简化程度的仿真模型。基于MMC的不同简化程度的仿真模型,分别研究了：1.MMC的启动充电,提出了半闭锁充电过程,可以将MMC的电容电压充到稳态运行时的电压值,使MMC的交流侧电流在解闭锁后没有过冲,没有畸变；2.研究了MMC的分组调制算法,提出了取整修正量移位算法,该算法能够实现类似于载波移相的效果,此外,还研究了子模块组之间的电压平衡原理以及控制方法；3.研究了MMC中桥臂之间的环流电流产生的原因,根据环流分量的等效电路,研究了环流分量的稳态数学模型、静止坐标系下的数学模型和二倍频旋转坐标系下的数学模型,根据这三种数学模型,提出了三种不同的环流抑制算法；4.研究了子模块电容的设计方法,根据MMC稳态运行时的功率特性,推导出了电容电压的解析袁达式,通过曲线拟合的方法,求出了电容电压波动分量幅值的解析表达式,进而得出了电容电压的设计方程；5.基于MMC的简化模型,参考舟山五端直流输电系统的参数,搭建了五端直流输电系统,研究了五端直流输电系统的功率平衡与电压控制策略：包括主从控制,下垂控制,裕度控制,下垂裕度混合控制。在研究不同问题时,采用了不同简化程度的仿真模型,在保证仿真精度的前提下,大大提高了仿真速度。
【关键词】：模块化多电平换流器 多端直流输电 仿真模型 充电控制 子模块分组调制 环流抑制 子模块电容设计
【学位授予单位】：中国电力科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN34;TM721.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 直流输电的发展12-16
• 1.1.1 传统高压直流输电的发展12-13
• 1.1.2 柔性直流输电的发展13-16
• 1.2 MMC-HVDC的研究现状16-18
• 1.2.1 MMC-HVDC的建模与仿真技术16
• 1.2.2 MMC-HVDC的电压调制16-17
• 1.2.3 MMC-HVDC的启动过程17-18
• 1.3 本文所做的工作18-24
• 第2章 VSC的原理与控制24-42
• 2.1 VSC的数学模型24-28
• 2.2 VSC的控制28-40
• 2.2.1 内环电流控制28-31
• 2.2.2 锁相环31-34
• 2.2.3 两电平换流器及其调制34-36
• 2.2.4 MMC的拓扑及原理36-37
• 2.2.5 HMC的拓扑及原理37-39
• 2.2.6 控制框图39-40
• 2.3 本章小结40-42
• 第3章 MMC的多层次仿真技术42-58
• 3.1 MMC的稳态分析42-45
• 3.1.1 直流分量44
• 3.1.2 交流分量44
• 3.1.3 能量平衡44-45
• 3.2 MMC的暂态分析及多层次建模45-56
• 3.2.1 半桥子模块的结构和数学模型46-47
• 3.2.2 半桥子模块的等效电路和数学模型47-48
• 3.2.3 半桥子模块组的结构和数学模型48-49
• 3.2.4 半桥子模块组的等效电路和数学模型49-51
• 3.2.5 MMC的仿真模型51-53
• 3.2.6 充电过程的仿真53
• 3.2.7 稳态运行过程的仿真53-55
• 3.2.8 直流故障的仿真55-56
• 3.2.9 仿真步长的影响56
• 3.2.10 结论56
• 3.3 本章小结56-58
• 第4章 MMC多层次仿真技术的应用58-98
• 4.1 MMC启动充电控制58-66
• 4.1.1 交流侧闭锁充电过程60-61
• 4.1.2 交流侧半闭锁充电过程61-62
• 4.1.3 直流侧闭锁充电过程62-63
• 4.1.4 直流侧半闭锁充电过程63-64
• 4.1.5 仿真验证64-66
• 4.1.6 结论66
• 4.2 MMC电压调制66-80
• 4.2.1 载波移相脉冲宽度调制68-69
• 4.2.2 最近电平逼近与分组调制69-70
• 4.2.3 参考电压取整70-71
• 4.2.4 触发脉冲分配71-73
• 4.2.5 分组阶梯波调制73-74
• 4.2.6 子模块组的均压原理74-75
• 4.2.7 取整修正量移位算法75-76
• 4.2.8 仿真算例76-77
• 4.2.9 子模块组均压控制的实现77-78
• 4.2.10 仿真结果78-80
• 4.2.11 结论80
• 4.3 MMC的环流抑制80-89
• 4.3.1 子模块电容电压中的波动分量81-82
• 4.3.2 子模块电容电压的交流分量对输出电压的影响82-85
• 4.3.3 环流抑制方法185-86
• 4.3.4 环流抑制方法286-88
• 4.3.5 环流抑制方法388-89
• 4.3.6 结论89
• 4.4 MMC子模块电容的设计89-96
• 4.4.1 MMC桥臂的功率特性89-91
• 4.4.2 电容电压的解析表达式91-92
• 4.4.3 电容电压波动分量的幅值92-94
• 4.4.4 仿真验证94-95
• 4.4.5 结论95-96
• 4.5 本章小结96-98
• 第5章 MMC多层次仿真技术在MTDC中的应用98-118
• 5.1 MTDC的功率平衡与电压控制策略98-107
• 5.1.1 主从控制99-101
• 5.1.2 电压下垂控制101-103
• 5.1.3 电压裕度控制103-107
• 5.1.4 电压裕度下垂混合控制107
• 5.2 直流输电系统的直流故障107-111
• 5.3 MTDC的仿真验证111-115
• 5.3.1 三端运行113
• 5.3.2 五端运行——裕度控制1113-114
• 5.3.3 五端运行——裕度控制2114
• 5.3.4 五端运行——下垂控制114-115
• 5.4 本章小结115-118
• 第6章 结论与展望118-124
• 6.1 全文的工作成果及结论118-121
• 6.2 工作展望121-124
• 参考文献124-131
• 攻读学位期间发表的学术论文和申请的专利131-132
• 致谢132

【参考文献】

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2 管敏渊;徐政;;两电平VSC-HVDC系统直流侧接地方式选择[J];电力系统自动化;2009年05期

3 管敏渊;徐政;屠卿瑞;潘伟勇;;模块化多电平换流器型直流输电的调制策略[J];电力系统自动化;2010年02期

4 屠卿瑞;徐政;管敏渊;郑翔;张静;;模块化多电平换流器环流抑制控制器设计[J];电力系统自动化;2010年18期

5 管敏渊;徐政;;模块化多电平换流器型直流输电的建模与控制[J];电力系统自动化;2010年19期

6 邵文君;宋强;刘文华;;轻型直流输电系统的不对称故障控制策略[J];电网技术;2009年12期

7 李强;贺之渊;汤广福;包海龙;王熙骏;王韧;;新型模块化多电平换流器空间矢量脉宽调制的通用算法[J];电网技术;2011年05期

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1 陈霄;直流电网物理仿真系统设计与分析[D];华北电力大学;2014年

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本文编号：392932