MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略與物理模擬系統(tǒng)研究.pdf

1、電壓源換流器高壓直流輸電(Voltage Source Converter based High VoltageDirect Current，VSC-HVDC)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。VSC-HVDC在新能源并網(wǎng)、輸電網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有大范圍的適應(yīng)性，正改變著交流電網(wǎng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)作為VSC-HVDC適用于高電壓大功率的領(lǐng)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了

2、廣泛重視。MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)可以用于研究MMC-HVDC的運(yùn)行特性，為控制策略的研發(fā)提供必要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因此開展MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)研究具有重要的工程意義。本文將重點(diǎn)研究以下內(nèi)容:
　　1)MMC-HVDC的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真模型研究與快速控制原型設(shè)計(jì)
　　為研究MMC-HVDC的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真模型與快速控制原型，首先簡(jiǎn)要說明了MMC基本運(yùn)行原理與子模塊工作原理。其次介紹了分層的MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，

3、重點(diǎn)闡述了換流站級(jí)基于d-q軸的解耦控制策略。進(jìn)而分別介紹了載波移相正弦脈寬調(diào)制(Carrier Phase Shifted Sinusoidal Pulse WidthModulation，CPS-SPWM)與最近電平逼近控制(Nearest Level Control，NLC)兩種調(diào)制方法和子模塊電容電壓平衡控制策略。
　　在介紹實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(Real Time Digital Simulator, RTDS)及其各種小步長(zhǎng)

4、模型之后，研究了MMC-HVDC實(shí)時(shí)數(shù)字仿真模型的建模方法，詳細(xì)說明了級(jí)聯(lián)多電平CHINAV3模塊的參數(shù)設(shè)置方法，建立了11電平MMC-HVDC系統(tǒng)模型，在該系統(tǒng)模型中實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)交流自勵(lì)式啟動(dòng)、間接電流控制、子模塊電容電壓均衡算法以及最近電平逼近控制算法。基于面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展(PCIExtensions for Instrumentation，PXI)對(duì)MMC-HVDC控制系統(tǒng)進(jìn)行快速原型化，在PXI環(huán)境中開發(fā)調(diào)試了MMC-HV

5、DC系統(tǒng)的定有功功率與定交流電壓控制程序，自定義了增量式PI調(diào)節(jié)器并配置了輸入輸出板卡及I/O端口。最后，建立了RTDS-PXI數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，混合實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)的物理控制器可以有效地調(diào)節(jié)母線電壓和有功功率，具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)性能，為MMC-HVDC控制系統(tǒng)快速原型化提供了有效途徑。
　　2)MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)控制架構(gòu)研究
　　重點(diǎn)研究了分層的MMC-HVDC控制系統(tǒng)架構(gòu)，運(yùn)行人員控制系統(tǒng)（上

6、位機(jī)）、極控制和保護(hù)系統(tǒng)(Pole Controller&Protection System，PCP)、閥基控制器(ValveBased Controller，VBC)、子模塊控制器(Sub-module Controller，SMC)等由高到低構(gòu)成了完備的控制體系。上位機(jī)完成一次系統(tǒng)電壓電流信號(hào)的顯示以及產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行有功類、無功類物理量參考值，并遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)中的斷路器控制。PCP接收有功和無功類物理量參考值，完成一次系統(tǒng)電壓電流信號(hào)的采

7、集以及有功量和無功量的控制，產(chǎn)生調(diào)制比M和移相角δ，形成正弦電壓參考波。VBC根據(jù)PCP產(chǎn)生的參考波，并結(jié)合子模塊電容電壓平衡控制策略來產(chǎn)生各個(gè)子模塊所需的觸發(fā)脈沖。SMC實(shí)現(xiàn)對(duì)全控器件的可靠觸發(fā)與保護(hù)。信號(hào)采集調(diào)理設(shè)備主要完成電流互感器CT與電壓互感器PT輸出信號(hào)的調(diào)理。
　　設(shè)計(jì)了MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、各控制層之間的通訊內(nèi)容以及協(xié)調(diào)控制策略，對(duì)控制器程序進(jìn)行了開發(fā)與調(diào)試。
　　子模塊投切狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，由于

8、絕緣柵雙極晶體管(Insulate Gate BipolarTransistor，IGBT)特性不完全相同，為防止上下IGBT同時(shí)導(dǎo)通而造成電容短路，需對(duì)IGBT設(shè)置死區(qū)。分析了橋臂電流方向與子模塊投切狀態(tài)對(duì)子模塊輸出電壓誤差的影響，然后考慮到理想條件下CPS-SPWM調(diào)制的特點(diǎn)，對(duì)換流器交流側(cè)的電壓誤差建立了精確的傅里葉級(jí)數(shù)。繼而采用取平均值的簡(jiǎn)化方式分析電壓誤差對(duì)換流器交流側(cè)電壓基波幅值與相位的影響，推導(dǎo)了電壓誤差的等效基波幅值、實(shí)

9、際輸出基波幅值以及角度偏移量的公式，并在此基礎(chǔ)上提出了死區(qū)造成的電壓誤差的補(bǔ)償方法。然后進(jìn)一步分析了非理想狀態(tài)下死區(qū)對(duì)換流器交流側(cè)電壓的影響。PSCAD/EMTDC的仿真結(jié)果表明了死區(qū)分析的正確性與補(bǔ)償方法的有效性。
　　3)MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究
　　對(duì)MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，針對(duì)MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的不同屏柜，介紹了安裝于其中的各種一次與二次設(shè)備，同時(shí)設(shè)計(jì)了子模塊硬件

10、結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了元器件選型。
　　對(duì)子模塊進(jìn)行了絕緣實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)了子模塊高壓特性。設(shè)計(jì)了子模塊的穩(wěn)態(tài)測(cè)試平臺(tái)及其控制程序。對(duì)子模塊進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)的空載與負(fù)載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了子模塊的良好性能，SMC可以與VBC進(jìn)行有效通訊并可以對(duì)子模塊進(jìn)行有效控制保護(hù)，驗(yàn)證了子模塊穩(wěn)態(tài)測(cè)試平臺(tái)的有效性。
　　進(jìn)行了MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明控制系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)物理模擬系統(tǒng)的啟停、子模塊電容電壓平衡、基本的故障保護(hù)以及直流電壓

11、與功率的控制，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中控制器出現(xiàn)的問題，提出了一種改進(jìn)的控制器設(shè)計(jì)方案。
　　子模塊電容電壓排序是電容電壓平衡算法的重要一環(huán)，首先比較了典型的排序法，根據(jù)工程上MMC-HVDC控制系統(tǒng)與可編程門陣列(Field ProgrammableGate Array，F(xiàn)PGA)并行計(jì)算的特點(diǎn)，采用并行排序的思想，減少了子模塊電容電壓排序計(jì)算的時(shí)間。接著對(duì)子模塊電容電壓分組排序方法進(jìn)行了研究，然后通過優(yōu)化子模塊電容電壓上傳的數(shù)據(jù)，一方面減