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受電，相比于兩端高壓直流輸電(HighVoltageDirectCurrent，HVDC)系統(tǒng)運行更為經(jīng)濟靈活，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需要一定強度的交流系統(tǒng)支撐實現(xiàn)換相，還要消耗大量的無功功率，當MT

2、DC系統(tǒng)用于連接可再生能源以及供電偏遠地區(qū)或海島等場合時，會存在諸如需配備大量無功補償、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撲，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)濟性、靈活性和可靠性特點。相對于兩端系統(tǒng)，MMC

4、-MTDC系統(tǒng)在仿真建模和系統(tǒng)控制保護策略等方面更為復雜，許多關(guān)鍵問題也尚未得到合理解決。因此，論文針對MMC-MTDC系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計、仿真建模及多端協(xié)調(diào)控制保護策略進行了研究，能夠為MMC-MTDC工程的實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MMC本身的運行原理及控制特性進行研究?；贛MC的運行工作原理，推導了適用于暫態(tài)分析的MMC的開

5、關(guān)函數(shù)數(shù)學模型以及適用于控制分析的三端MMC-MTDC系統(tǒng)dq坐標下的數(shù)學模型。并基于dq解耦控制策略思想，分別設(shè)計了供電有源系統(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)和動態(tài)響應(yīng)特性。
　　針對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)電流大幅波動為目的的橋臂電抗器參數(shù)設(shè)計方法，為工程中橋臂電抗器的設(shè)計提供了一定的理論

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算值非常吻合，橋臂電抗優(yōu)化設(shè)計后的交流側(cè)電流波動以及相間環(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MMC-MTDC系統(tǒng)分別設(shè)計了三種方法的控制器。其次，為避免直流輸電線路較長時電壓降落與線

7、路損耗對電壓裕度控制產(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，同時設(shè)計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，在該模型下分別進行了一般電壓裕度控制方法的運行特性分析和精確電壓裕度控制法的仿真驗證;并對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行仿真，提出了相應(yīng)的控制保護策略。
　　(3)含大規(guī)模風電接入的MMC-MTD

8、C系統(tǒng)
　　針對MMC-MTDC系統(tǒng)在大規(guī)模風電并網(wǎng)方面的應(yīng)用，重點研究了含風電接入的MMC-MTDC系統(tǒng)的多端控制方法。首先，針對雙饋感應(yīng)發(fā)電機組(DoubleFedInductionGenerators，DFIG)建立了發(fā)電機數(shù)學模型以及風速及空氣動力模型，并對雙饋機組變流器的控制器進行了設(shè)計。然后，針對風電場功率波動幅度較大的特點，同時考慮到多端系統(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、制有機結(jié)合，在風機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，建立了與風電場連接的MMC-MTDC系統(tǒng)模型，對提出的階段式電壓下降控制方法的有效性進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，當風電場出力較大時，多端系統(tǒng)采用電壓下降控制，能夠較為靈活的平衡風機出力波動，當風電出力大幅跌落時，階段性電壓下降控制能夠?qū)Q流站自動轉(zhuǎn)換為直流電壓控制，保證整個多端系統(tǒng)的直流電壓不會出現(xiàn)較大偏離。
　　(4)換流站通用集成控制保

10、護平臺體系結(jié)構(gòu)
　　MTDC系統(tǒng)中可基于LCC、兩電平VSC、MMC或其他換流器拓撲，也可能同時含有多種換流器拓撲組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平臺框架，可用于常規(guī)高壓直流輸電、VSC-HVDC以及混合直流輸電等復雜輸電形式的場合。首先提出了通用集成平臺的整體功能需求和平臺的設(shè)計原則，并從功能和設(shè)備兩個角度出發(fā)，提出了該平臺的兩種體系結(jié)構(gòu)方案，