基于MMC的柔性直流輸電穩(wěn)態(tài)分析方法及控制策略研究.pdf

1、與傳統(tǒng)兩電平或三電平電壓源型換流器(Voltage Source Converter，VSC)相比，模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)具有許多無法比擬的優(yōu)勢:比如1）結(jié)構(gòu)模塊化，可以通過增加子模塊個(gè)數(shù)方便地?cái)U(kuò)展功率、電壓等級(jí);2)開關(guān)頻率低，顯著減小了換流器及直流輸電系統(tǒng)整體損耗;3）波形質(zhì)量高，極大降低了對交直流側(cè)濾波器的要求;4）均壓難度低，采用子模塊串聯(lián)而非器件直接串聯(lián)技術(shù)，大大

2、降低了器件均壓難度;5）運(yùn)行可靠性高，方便的子模塊冗余設(shè)計(jì)和橋臂電感直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)提高了換流器運(yùn)行的安全可靠性。由于上述優(yōu)勢，基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電(Modular Multilevel Converter Based HVDC，MMC-HVDC)被認(rèn)為是最具潛力的柔性直流輸電方式，也是近年來國內(nèi)外實(shí)際工程中普遍采用的柔性直流輸電方式。MMC-HVDC在遠(yuǎn)距離大容量輸電，異步電網(wǎng)互聯(lián)，分布式電源接入電網(wǎng)，風(fēng)電場發(fā)電并網(wǎng)，無源

3、海島、鉆井平臺(tái)、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電及城市電網(wǎng)增容改造等諸多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)，工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
　　雖然MMC-HVDC有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其機(jī)理分析，控制策略等均比傳統(tǒng)VSC-HVDC更為復(fù)雜。為了保證MMC-HVDC的可靠經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)，安全穩(wěn)定運(yùn)行及故障穿越能力，對MMC及其構(gòu)成的柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行精確的穩(wěn)態(tài)機(jī)理分析，可靠的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，快速的并網(wǎng)策略研究，均有十分重要的理論研究價(jià)值和工程實(shí)用價(jià)值。

4、本文主要利用理論分析，仿真驗(yàn)證及部分實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，重點(diǎn)研究MMC及相應(yīng)柔性直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行機(jī)理，快速并網(wǎng)鎖相，不同工況下的功率解耦控制及環(huán)流電流抑制等相關(guān)問題。
　　(1) MMC的閉環(huán)時(shí)域穩(wěn)態(tài)分析方法。精確的時(shí)域穩(wěn)態(tài)分析可以實(shí)現(xiàn)MMC及MMC-HVDC的電氣量評(píng)估，電路參數(shù)設(shè)計(jì)及半導(dǎo)體器件選擇，是工程規(guī)劃和工程運(yùn)行中極其關(guān)鍵的技術(shù)。提出了一種閉環(huán)時(shí)域穩(wěn)態(tài)分析方法，首先假定MMC精確調(diào)制函數(shù)及內(nèi)部環(huán)流均為未知量，然后基于

5、經(jīng)典循環(huán)耦合原理在MMC內(nèi)部構(gòu)建兩個(gè)閉合分析環(huán)路，以此建立兩個(gè)非線性環(huán)路方程求解精確調(diào)制函數(shù)，環(huán)流電流及所有被其耦合的MMC內(nèi)部電氣量。提出的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)分析方法在MMC整個(gè)功率運(yùn)行范圍內(nèi)均能保持很高的分析精度，且此分析精度不受運(yùn)行條件影響。除此之外，該方法還能實(shí)現(xiàn)MMC-HVDC系統(tǒng)交流側(cè)電壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)和選擇。
　　(2) MMC-HVDC在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下快速精確并網(wǎng)鎖相技術(shù)。該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)MMC-HVDC正常并網(wǎng)運(yùn)行，功率解耦控制及

6、故障穿越的基礎(chǔ)。提出了一種微分滑動(dòng)濾波快速鎖相技術(shù)。該技術(shù)將隨輸入信號(hào)頻率變化而在線變化的比例模塊引入滑動(dòng)濾波鎖相環(huán)(Moving Average Filter based Phase Locked Loop，MAF-PLL)，以此快速濾除最低次諧波減小滑動(dòng)濾波模塊的窗口寬度，提升鎖相速度。由于比例模塊不會(huì)引入相位滯后，因此不會(huì)影響鎖相系統(tǒng)穩(wěn)定性。該鎖相技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算量低，可以在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下，比如故障、高諧波污染、直流偏置等，實(shí)現(xiàn)

7、精確、快速鎖相，為所有并網(wǎng)換流器(包括MMC)及柔性直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行、可靠控制及故障穿越等提供保障。
　　(3) MMC-HVDC不同工況下的功率解耦控制策略。研究了MMC-HVDC在對稱及不對稱電網(wǎng)條件下的有功、無功解耦控制策略。交流電網(wǎng)不對稱時(shí)，對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分序解耦比例積分(Proportional Intergral，PI)控制策略及靜止坐標(biāo)系下的比例諧振(Proportional Resonant，PR)控制策略

8、進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析及仿真驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)基于PR的MMC-HVDC功率解耦控制策略可以在靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)，無需交流電氣量正負(fù)序分離、分序控制以及坐標(biāo)變換和反變換，因此具有更加簡單的控制結(jié)構(gòu)和更低的計(jì)算量。
　　(4) MMC-HVDC環(huán)流電流抑制策略。MMC自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理不可避免引起橋臂環(huán)流。研究了MMC內(nèi)部環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理及相應(yīng)的環(huán)流抑制策略。得出在不對稱電網(wǎng)條件下，將MMC環(huán)流抑制策略直接應(yīng)用于MMC-HVDC系統(tǒng)時(shí)可能