適用于大容量架空線輸電的C-MMC型柔性直流技術研究.pdf

1、相比較于傳統(tǒng)的兩電平或三電平換流器，模塊化多電平換流器(Modular MultilevelConverter，MMC)具有輸出電壓波形質量高、擴展性好、低損耗和開關頻率低等優(yōu)點，已成為柔性直流輸電領域的主流拓撲。早期MMC的橋臂由大量半橋子模塊(HBSM)級聯(lián)構成，無法自主切斷直流故障電流，難以擴展到架空線領域。采用箝位雙子模塊的MMC(簡稱C-MMC)是最新的換流器改進拓撲，具有直流故障自清除能力，非常適合于架空線輸電，可大大擴展柔

2、性直流系統(tǒng)的應用場合。然而，目前涉及到C-MMC的文獻很少，因此對其進行深入系統(tǒng)的研究具有工程意義。本文主要圍繞C-MMC運行特性及其在大容量架空線輸電場合應用的關鍵問題展開。主要工作如下:
　　(1)研究了C-MMC阻抗頻率特性和直流故障穿越機理。建立了穩(wěn)態(tài)運行下MMC連續(xù)數學模型和狀態(tài)空間方程，證明了系統(tǒng)在運行平衡點具有漸進穩(wěn)定性。推導了C-MMC交直流側阻抗的等效表達公式，設計了基于測試信號法的阻抗計算方法和詳細實現(xiàn)流程，結

3、果表明:交流側阻抗因非線性調制作用呈現(xiàn)波動特性，直流側阻抗可等效為單調諧濾波器;運行工況和控制模式對交直流側阻抗影響均很小，環(huán)流抑制會影響直流側阻抗。建立了C-MMC直流故障下的等值電路，揭示了其直流故障閉鎖機理本質。為提高C-MMC穩(wěn)態(tài)運行效益和故障暫態(tài)特性，提出了兩點改進措施:a）橋臂可由HBSM和CDSM混合而成，b）在子模塊內部箝位二極管處串聯(lián)阻尼電阻。
　　(2)構建了C-MMC子模塊故障多層次冗余保護體系。將子模塊劃分

4、為三個保護區(qū)域，引入了雙晶閘管保護方案;設計了子模塊內部容錯控制流程，以處理不同區(qū)域內元件失效問題。在換流器層次，設計了改進型最近電平調制和電容電壓平衡策略。該方法動態(tài)調節(jié)電容電壓參考值，通過引入故障因子對電容電壓測量值進行修正，以防止故障元件參與投切。提出了動態(tài)備用和實時安全裕度的概念，并采取功率調整、擋位動作等措施擴大動態(tài)備用元件數量。提出了抑制直流電流波動的電壓補償策略，在故障橋臂電壓參考波上附加補償電壓分量，使交流相電流在上下橋

5、臂近似平均分配。
　　(3)設計了C-MMC-HVDC的正常啟動和故障后重啟動策略。將正常自勵充電過程分為兩個基本階段即靜態(tài)充電階段和動態(tài)充電階段。利用電路原理方法化簡了靜態(tài)充電階段的系統(tǒng)等值電路，推導了最大充電電流的估算公式和限流電阻的選取原則。提出了分組可控有序充電方法，在該方法中模塊電容分組依次充電，以保證每個電容獲取足夠的能量。設計了直流故障后的系統(tǒng)自動重啟動控制時序。
　　(4)研究了C-MMC串并聯(lián)容量擴展技術和

6、單元投退策略。為實現(xiàn)高電壓大容量輸電，設計了采用C-MMC組合式換流器的雙極柔性直流拓撲，每極由若干換流單元串并聯(lián)構成，接地極線從上下正負極結構中間引出。將換流單元投退過程劃分為并聯(lián)類和串聯(lián)類，分別設計了詳細的投退控制流程。提出了基于投旁通對的串聯(lián)類單元投退控制策略，實現(xiàn)了待投退單元的快速旁路。
　　(5)研究了LCC-C-MMC混合直流穩(wěn)態(tài)運行控制和直流低電壓穿越策略?；旌现绷髂孀儌炔捎媒M合式C-MMC改進型拓撲，以達到與傳統(tǒng)直

7、流相匹配的大容量要求。為解決混合直流系統(tǒng)因整流側交流電網故障引起的直流低電壓穿越問題，提出了帶投旁通對的后備定電流和后備定電壓兩種控制策略。二者分別以逆變側和整流側為控制主導站，通過引入三次諧波注入調制和無功功率動態(tài)調整策略，擴展了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)調節(jié)范圍;故障嚴重時，系統(tǒng)借助旁通對快速旁路高位端的換流單元，進入半壓運行模式，剩余健全的換流單元維持功率的持續(xù)輸送。
　　(6)提出了一種MMC閥損耗計算通用方法，可統(tǒng)一分析不同子模塊