模塊化多電平換流器直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)鍵問題研究.pdf

1、換流器分為整流器和逆變器，模塊化多電平換流器(Modular Multileve Converter, MMC)具有諧波含量低、可模塊化設(shè)計、開關(guān)頻率和運行損耗低等優(yōu)點，其提出后引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和研究，并成為目前柔性直流輸電系統(tǒng)的主流拓撲結(jié)構(gòu)?；贛MC的直流輸電系統(tǒng)(MMC based HVDC system，MMC-HVDC)運行中的穩(wěn)定性和阻尼特性，是系統(tǒng)運行中的一個重要問題，其不僅關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下能否穩(wěn)定運行，而且關(guān)系到故

2、障等情況下的系統(tǒng)恢復(fù)等暫態(tài)特性，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和阻尼特性也是進行控制參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化的主要目的。研究MMC-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其影響因素，并提出改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的策略，具有重要的理論和工程意義。
　　首先研究了MMC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和基本控制策略，然后圍繞MMC-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，針對其內(nèi)部漸進穩(wěn)定性、內(nèi)部諧波穩(wěn)定性、交直流交互影響的穩(wěn)定性問題等三個關(guān)鍵問題進行了深入研究，開發(fā)了研究其穩(wěn)定性的解析數(shù)學(xué)模型，并得

3、出一系列具有工程實用價值的結(jié)論。
　　1) MMC-HVDC的數(shù)學(xué)模型和控制策略研究
　　作為MMC-HVDC穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，首先研究了MMC的基本運行原理，包括其子模塊拓撲運行機制、多電平產(chǎn)生原理、基本數(shù)學(xué)模型和平均開關(guān)函數(shù)模型等。然后搭建了MMC-HVDC系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，包括:基于d-q解耦控制策略的主控制器、最近電平逼近調(diào)制、子模塊電容電壓排序均壓算法以及附加環(huán)流抑制控制器等。針對采用“熱備用”冗余子模塊時由子模塊故

4、障可能導(dǎo)致的橋臂不對稱運行問題，分析了MMC的不對稱橋臂運行特性，揭示了其造成上、下橋臂電容電壓基值不對稱、各次不對稱環(huán)流、直流電流波動、交直流側(cè)電壓偏置、各橋臂直流電流分量不對稱等故障機理?；谄胶馍?、下橋臂基頻電壓分量的思想，提出一種具有子模塊故障容錯控制能力的環(huán)流抑制控制器，其通過在傳統(tǒng)二倍頻比例諧振環(huán)流控制器的基礎(chǔ)上引入基頻諧振控制器，以解決不對稱橋臂引起的一系列不平衡問題。最后基于PSCAD/EMTDC搭建雙端201電平MMC

5、-HVDC系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗證了所提出控制策略的有效性。
　　2) MMC內(nèi)部漸進穩(wěn)定阻尼特性研究
　　MMC橋臂間的平衡是其內(nèi)部穩(wěn)定性的重要方面，MMC橋臂間平衡的實質(zhì)是內(nèi)部漸進穩(wěn)定問題，而該漸進穩(wěn)定的阻尼特性直接決定了MMC橋臂發(fā)生異常充、放電后的故障恢復(fù)特性，因此也是換流器內(nèi)部暫態(tài)穩(wěn)定性的范疇。基于平均開關(guān)函數(shù)思想，建立了詳細的橋臂間電容電壓動態(tài)平衡數(shù)學(xué)模型，并分析了橋臂間平衡（即漸進穩(wěn)定）阻尼特性的影響因素。分析結(jié)果表

6、明，MMC的內(nèi)部漸進穩(wěn)定阻尼特性受橋臂電阻、調(diào)制比和子模塊電容等因素影響。在一定范圍內(nèi)橋臂電阻越大其阻尼特性越好，因此MMC在阻尼特性和低損耗之間存在矛盾，較小的橋臂電阻可能導(dǎo)致較差的漸進穩(wěn)定阻尼特性。為提高MMC內(nèi)部漸進穩(wěn)定的阻尼特性，基于“虛擬電阻”思想，提出了附加阻尼控制策略，可在不增加額外損耗的情況下明顯改善阻尼特性。最后，通過在PSCAD/EMTDC下的仿真驗證了解析分析的正確性，以及所提出控制器的有效性。
　　3) 考

7、慮內(nèi)部動態(tài)特性的MMC小信號模型及內(nèi)部諧波穩(wěn)定性分析
　　小信號模型是系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和進行參數(shù)設(shè)計的重要方法。目前對于MMC的小信號建模，通常忽略子模塊電容電壓波動、內(nèi)部環(huán)流、環(huán)流抑制控制器等內(nèi)部動態(tài)行為，從而簡化狀態(tài)空間模型的建立，但卻會對系統(tǒng)特征根和穩(wěn)定性分析造成一定誤差?；凇皠討B(tài)相量”的建模思想，建立了考慮換流器內(nèi)部動態(tài)特性的MMC詳細小信號模型，所建立的小信號模型提供了與外部控制器和交、直流系統(tǒng)的接口，具有較強的通用性。

8、通過與電磁暫態(tài)(Electromagnetic Transient，EMT)仿真模型的動態(tài)響應(yīng)對比，驗證了所提出模型的準確性。同時，也建立了不考慮內(nèi)部諧波動態(tài)特性的簡化端模型，并將簡化端模型和詳細模型的小信號動態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，應(yīng)用簡化端模型研究系統(tǒng)動態(tài)特性存在一定誤差，驗證了建立MMC詳細小信號模型的必要性。
　　基于所建立的詳細MMC小信號模型，對一個單端MMC-HVDC系統(tǒng)進行了特征根分析和模態(tài)識別，通過計算

9、參與因子將MMC-HVDC系統(tǒng)的模態(tài)分為“外部模態(tài)”和“內(nèi)部諧波模態(tài)”，并表明采用簡化MMC端模型無法對內(nèi)部諧波模態(tài)進行分析。然后，對MMC內(nèi)部諧波模態(tài)及其影響因素進行了重點詳細的分析，分析結(jié)果表明，MMC的內(nèi)部諧波模態(tài)通常呈弱阻尼特性，在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中不容忽略，換流器的環(huán)流抑制策略、橋臂電阻、外部主控制器增益等都對內(nèi)部諧波模態(tài)具有較大影響，并首次揭示了由內(nèi)部動態(tài)導(dǎo)致的MMC“諧波不穩(wěn)定”現(xiàn)象。揭示了各因素對MMC的諧波穩(wěn)定性的影響規(guī)

10、律，對工程參數(shù)設(shè)計和調(diào)試具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。
　　4) MMC-HVDC交、直流側(cè)系統(tǒng)交互影響分析
　　MMC與其所連接的交流系統(tǒng)及其直流側(cè)電路的交互影響可能帶來諧振或不穩(wěn)定問題。為研究該課題，首先基于“動態(tài)相量”的建模思想，建立了一個54階端對端MMC-HVDC系統(tǒng)的小信號模型，并對其進行模態(tài)分析和識別。
　　針對MMC和交流側(cè)電路的交互影響，重點研究了交流系統(tǒng)變化對MMC內(nèi)部諧波模態(tài)的影響，研究表明交流系統(tǒng)變化可能

11、導(dǎo)致MMC內(nèi)部發(fā)生諧振或諧波不穩(wěn)定，特別是在無環(huán)流抑制控制器采用或環(huán)流抑制控制器增益較小時，內(nèi)部諧波模態(tài)對交流系統(tǒng)變化更為敏感。然后基于MMC和交流系統(tǒng)在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的阻抗頻率特性，推導(dǎo)了研究交直流系統(tǒng)交互作用的頻域分析方法，并采用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性，該頻域分析方法避免了三相靜止坐標系下存在的頻率耦合問題，分析結(jié)果更為精確可靠。
　　針對MMC和直流側(cè)電路的交互影響，研究了主控制器參數(shù)、環(huán)流控制器參數(shù)等對直流交互