基于MMC的多端直流輸電系統(tǒng)控制方法研究.pdf

1、多端直流輸電(Multi-TerminalDirectCurrent，MTDC)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電以及多落點(diǎn)受電，相比于兩端高壓直流輸電(HighVoltageDirectCurrent，HVDC)系統(tǒng)運(yùn)行更為經(jīng)濟(jì)靈活，在電網(wǎng)互聯(lián)及新能源并網(wǎng)等方面優(yōu)勢明顯。早期的MTDC系統(tǒng)都是采用電網(wǎng)換相換流器（LineCommutatedConvertert，LCC），而LCC需要一定強(qiáng)度的交流系統(tǒng)支撐實(shí)現(xiàn)換相，還要消耗大量的無功功率，當(dāng)MT

2、DC系統(tǒng)用于連接可再生能源以及供電偏遠(yuǎn)地區(qū)或海島等場合時(shí)，會(huì)存在諸如需配備大量無功補(bǔ)償、容易發(fā)生換相失敗、無法供電無源網(wǎng)絡(luò)等問題，在一定程度上限制了MTDC的應(yīng)用及優(yōu)勢發(fā)揮。
　　20世紀(jì)90年代以后，以全控型開關(guān)器件為基礎(chǔ)的電壓源換流器型高壓直流輸電（VoltageSourceConverterBasedHVDC，VSC-HVDC，也稱為柔性直流輸電）由于具有有功無功獨(dú)立調(diào)節(jié)，可向無源網(wǎng)絡(luò)供電等優(yōu)勢而受到人們的重視并得到快速發(fā)展

3、。而模塊化多電平換流器(ModularMultilevelConverter，MMC)作為最新一代的電壓源換流器拓?fù)?，因其開關(guān)損耗小，不依賴器件串聯(lián)技術(shù)等優(yōu)勢，已成為VSC-HVDC工程的建設(shè)趨勢。
　　基于MMC的多端直流輸電(Multi-TerminalDirectCurrentBasedonMMC,MMC-MTDC)系統(tǒng)，既能夠充分發(fā)揮MMC的技術(shù)優(yōu)勢，又兼顧了MTDC系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和可靠性特點(diǎn)。相對(duì)于兩端系統(tǒng)，MMC

4、-MTDC系統(tǒng)在仿真建模和系統(tǒng)控制保護(hù)策略等方面更為復(fù)雜，許多關(guān)鍵問題也尚未得到合理解決。因此，論文針對(duì)MMC-MTDC系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真建模及多端協(xié)調(diào)控制保護(hù)策略進(jìn)行了研究，能夠?yàn)镸MC-MTDC工程的實(shí)施提供一定的理論依據(jù)。
　　(1)MMC-MTDC模型及基本控制策略
　　為了研究基于MMC的多端直流輸電系統(tǒng)，有必要先對(duì)MMC本身的運(yùn)行原理及控制特性進(jìn)行研究?；贛MC的運(yùn)行工作原理，推導(dǎo)了適用于暫態(tài)分析的MMC的開

5、關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型以及適用于控制分析的三端MMC-MTDC系統(tǒng)dq坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。并基于dq解耦控制策略思想，分別設(shè)計(jì)了供電有源系統(tǒng)和供電無源系統(tǒng)的MMC的基本控制器，以及MMC調(diào)制策略和電容電壓平衡控制策略，并通過仿真測試了控制器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
　　針對(duì)MMC中的關(guān)鍵器件之一橋臂電抗器，在MMC取整函數(shù)模型基礎(chǔ)上，提出一種以抑制MMC交流側(cè)電流大幅波動(dòng)為目的的橋臂電抗器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，為工程中橋臂電抗器的設(shè)計(jì)提供了一定的理論

6、依據(jù)。仿真分析表明，PSCAD/EMTDC下的橋臂電抗仿真值與理論計(jì)算值非常吻合，橋臂電抗優(yōu)化設(shè)計(jì)后的交流側(cè)電流波動(dòng)以及相間環(huán)流均有明顯改善。
　　(2)適用于MMC-MTDC系統(tǒng)的精確電壓裕度控制策略研究
　　多端站間協(xié)調(diào)控制是MTDC系統(tǒng)的核心。首先研究了主從控制、電壓下降特性控制和電壓裕度控制三種多端協(xié)調(diào)控制方法的控制原理，并針對(duì)MMC-MTDC系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了三種方法的控制器。其次，為避免直流輸電線路較長時(shí)電壓降落與線

7、路損耗對(duì)電壓裕度控制產(chǎn)生的影響，提出了一種精確電壓裕度控制方法，并給出了精確電壓裕度值選取公式，同時(shí)設(shè)計(jì)了精確電壓裕度控制器。最后，在PSCAD/EMTDC環(huán)境中建立了基于MMC的三端系統(tǒng)仿真模型，在該模型下分別進(jìn)行了一般電壓裕度控制方法的運(yùn)行特性分析和精確電壓裕度控制法的仿真驗(yàn)證;并對(duì)MMC-MTDC系統(tǒng)發(fā)生直流電纜單極短路和雙極短路故障后的故障特性進(jìn)行仿真，提出了相應(yīng)的控制保護(hù)策略。
　　(3)含大規(guī)模風(fēng)電接入的MMC-MTD

8、C系統(tǒng)
　　針對(duì)MMC-MTDC系統(tǒng)在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)方面的應(yīng)用，重點(diǎn)研究了含風(fēng)電接入的MMC-MTDC系統(tǒng)的多端控制方法。首先，針對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組(DoubleFedInductionGenerators，DFIG)建立了發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型以及風(fēng)速及空氣動(dòng)力模型，并對(duì)雙饋機(jī)組變流器的控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。然后，針對(duì)風(fēng)電場功率波動(dòng)幅度較大的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到多端系統(tǒng)的電壓控制效果，提出了一種階段式電壓下降控制方法，將電壓下降控制同電壓裕度控

9、制有機(jī)結(jié)合，在風(fēng)機(jī)出力的不同階段采用不同的控制方式。最后，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下，建立了與風(fēng)電場連接的MMC-MTDC系統(tǒng)模型，對(duì)提出的階段式電壓下降控制方法的有效性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)電場出力較大時(shí)，多端系統(tǒng)采用電壓下降控制，能夠較為靈活的平衡風(fēng)機(jī)出力波動(dòng)，當(dāng)風(fēng)電出力大幅跌落時(shí)，階段性電壓下降控制能夠?qū)Q流站自動(dòng)轉(zhuǎn)換為直流電壓控制，保證整個(gè)多端系統(tǒng)的直流電壓不會(huì)出現(xiàn)較大偏離。
　　(4)換流站通用集成控制保

10、護(hù)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)
　　MTDC系統(tǒng)中可基于LCC、兩電平VSC、MMC或其他換流器拓?fù)?，也可能同時(shí)含有多種換流器拓?fù)浣M成混合多端直流輸電系統(tǒng)(HybridMTDC)。文中提出開發(fā)一種新型的適用于多種直流輸電工程的換流站通用集成控制保護(hù)平臺(tái)框架，可用于常規(guī)高壓直流輸電、VSC-HVDC以及混合直流輸電等復(fù)雜輸電形式的場合。首先提出了通用集成平臺(tái)的整體功能需求和平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則，并從功能和設(shè)備兩個(gè)角度出發(fā)，提出了該平臺(tái)的兩種體系結(jié)構(gòu)方案，