模塊化多電平換流器在HVDC應(yīng)用的若干關(guān)鍵問(wèn)題研究.pdf

1、電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展為建設(shè)智能、清潔、高效的現(xiàn)代電力系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的支持，在高壓直流輸電(HVDC)和柔性交流輸電(FACTS)領(lǐng)域均取得了廣泛的應(yīng)用。模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作為新一代高壓大功率換流裝置，當(dāng)其在HVDC中應(yīng)用時(shí)，具有輸電容量大，有功無(wú)功可獨(dú)立控制，交流輸出無(wú)需復(fù)雜的濾波裝置，可靠性高，可向無(wú)源或弱受端系統(tǒng)輸電等諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是柔性直流輸電的代表性技術(shù)。本

2、文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究MMC在HVDC中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　MMC電路中具有大量電力電子開(kāi)關(guān)和直流電容器，其數(shù)學(xué)模型呈高階、離散、非線性的特點(diǎn)，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析。以其物理電路模型為基礎(chǔ)，建立MMC的開(kāi)關(guān)模型，通過(guò)簡(jiǎn)化程度不同的三次降階化簡(jiǎn)和坐標(biāo)變換，推導(dǎo)MMC的平均值模型，通過(guò)小信號(hào)線性化，推導(dǎo)出低階、連續(xù)、線性的MMC的小信號(hào)模型。提出的建模方法明確了推導(dǎo)過(guò)程中的簡(jiǎn)化條件，以便于根據(jù)不同的分析要求

3、選擇對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化條件。提出的空間狀態(tài)數(shù)學(xué)模型具有直流側(cè)輸出電壓控制量，使MMC的數(shù)學(xué)建模更加完整，并為n可控的調(diào)制方法提供了理論基礎(chǔ)。
　　MMC在HVDC中應(yīng)用時(shí)，換流器主要采用最近電平調(diào)制法(Nearest Voltage Level Modulation，NLM)進(jìn)行閥組級(jí)控制。但何時(shí)及如何實(shí)施其中的選擇性子模塊投切策略，以及如何避免兩次相鄰?fù)肚胁僮鳟a(chǎn)生沖突，需要詳細(xì)研究。定義了NLM法進(jìn)行子模塊電壓選擇性投切的控制時(shí)機(jī)，給出

4、了控制時(shí)機(jī)的產(chǎn)生算法和沖突避免規(guī)則。在定義基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類型的控制時(shí)機(jī)分別提出了相應(yīng)的子模塊選擇方法，并對(duì)它們進(jìn)行了對(duì)比，給出了控制時(shí)機(jī)的協(xié)調(diào)搭配方法。提出的正負(fù)極間子模塊數(shù)n可控的NLM調(diào)制方法，可以充分利用MMC中的冗余子模塊將其直流側(cè)在一定條件下等效為可控電壓源，為MMC直流電流控制提供了實(shí)現(xiàn)途徑。對(duì)提出的NLM法進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，提出了n可以為偶數(shù)也可以為奇數(shù)的改進(jìn)型NLM法和適用于帶有全H橋子模塊的MMC的NLM調(diào)制方法，對(duì)

5、NLM的應(yīng)用范圍進(jìn)行了拓展。
　　n可控的NLM調(diào)制法可以將MMC的交流側(cè)和直流側(cè)均等效為一個(gè)受控電壓源，利用這一特性可以進(jìn)一步豐富MMC的控制手段，以實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)特性。提出了MMC直流電流直接控制及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法，以及當(dāng)內(nèi)環(huán)采用直流電流控制時(shí)外環(huán)輸出控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并給出了當(dāng)系統(tǒng)包含MMC直流側(cè)直接電流控制時(shí)的控制策略和功率平衡限制條件。
　　電力系統(tǒng)中存在功率單向輸送的情況，此時(shí)可以采用送端使用二極管整流器，受端

6、采用MMC逆變器的ULMMC-HVDC結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，提高系統(tǒng)可靠性。提出電容儲(chǔ)能的ULMMC-HVDC利用MMC中存在的大量子模塊，將其與EDLC相結(jié)合。彌補(bǔ)了EDLC自放電率較大、耐壓較低的缺點(diǎn)，使子模塊電壓平衡控制容易實(shí)現(xiàn)，能量分布存儲(chǔ)使可靠性提高且易于維護(hù)。提出了能量管理控制器及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法，用于限制存儲(chǔ)在換流器中的能量在設(shè)定的上下限之間。提出電池儲(chǔ)能的ULMMC-HVDC，可以使裝置整體實(shí)現(xiàn)較高的額定電壓接入電力

7、系統(tǒng)，且便于電池元件的維護(hù)、更換。相較于電容儲(chǔ)能，進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)能時(shí)可以得到更高的存儲(chǔ)容量和充放電效率。提出了子模塊和子模塊組電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）平衡控制及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法。
　　大規(guī)模MMC電磁暫態(tài)仿真模型中存在大量子模塊和電力電子元件造成模型階數(shù)過(guò)高、仿真效率過(guò)低的問(wèn)題，需要研究提高仿真效率的方法。在MMC仿真電路模型與MMC開(kāi)關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型完全等效的前提下，通過(guò)改善子模塊快速仿真模型和控制系統(tǒng)優(yōu)化

8、仿真算法等手段，極大地提高了仿真效率，從而使大規(guī)模MMC-HVDC的仿真研究變得可能。設(shè)計(jì)了MMC-HVDC控制系統(tǒng)的優(yōu)化仿真算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩次排序解決子模塊選擇性投切問(wèn)題和單個(gè)子模塊開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高的避免機(jī)制。
　　實(shí)際MMC裝置中存在大量子模塊，硬件上需要大量高吞吐能力IO進(jìn)行測(cè)量控制，使控制難度增加;MMC控制系統(tǒng)一般由多控制器協(xié)調(diào)控制，但這些控制器間需要交互大量實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信號(hào)，難以保證同時(shí)可靠傳輸。研制了由400VAC

9、/+400VDC/3kVA/288-SM的小模型主電路和全比例控制系統(tǒng)組成的MMC驗(yàn)證樣機(jī)。設(shè)計(jì)了MMC驗(yàn)證樣機(jī)的硬件和控制軟件結(jié)構(gòu)。研究并設(shè)計(jì)了子模塊測(cè)控信號(hào)復(fù)用電路，在不增加通訊負(fù)擔(dān)的前提下，僅通過(guò)增加簡(jiǎn)單的數(shù)字電路，使IO數(shù)量與光纖通道數(shù)大為減少，降低了裝置成本和實(shí)現(xiàn)難度。提出了控制系統(tǒng)的雙總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)高速數(shù)字IO總線和CAN總線分別傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信號(hào)，解決了實(shí)控制器間數(shù)據(jù)交互問(wèn)題。進(jìn)行了MMC逆變并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了MM