MMC型高压直流输电系统控制策略研究

作     者：夏艺歌 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑恩让

授予年度：2018年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：高压直流输电 模块化多电平换流器 两相静止坐标系 比例复数积分控制 单相接地短路 正负序分离 

摘      要：随着电力行业的发展,高压直流(High Voltage Direct Current,HVDC)输电技术得到了快速的发展与应用;目前在国内,南方电网和华东电网已成功构建交直流混联为基础的大规模电力系统。随着能源紧缺问题的日益严重和可再生资源的不断开发,HVDC输电将得到更加广泛的应用,如以模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)为基础的HVDC系统收获了越来越多的关注和研究。目前,有效提高电能质量并确保电网的安全运行,是智能电网发展的关键技术之一,在减少开关损耗、故障管理、容量升级、电磁兼容、输出电压质量等方面具有明显优势。本文从MMC的拓扑结构和工作原理入手,针对MMC型HVDC系统在稳态时和故障下这两种不同状态分别进行了数学建模和深入的理论分析研究,并在此基础上提出相应的控制策略,最后在仿真平台PSCAD/EMTDC上对MMC-HVDC系统进行建模及仿真验证。本文的整体结构如下:首先,阐述了MMC-HVDC目前的研究进展和应用概况,详细介绍了MMC的拓扑结构,并以一个简单的7电平MMC拓扑为例分析其工作原理,包括3种工作状态,6个工作模式。在此基础上分析了针对MMC的两大控制策略,即调制算法和子模块电容电压控制。作为MMC的核心技术之一的调制算法,本文着重分析了适合MMC的载波移相调制策略和最近电平逼近策略。作为MMC正常工作的前提,分析采用基于排序法的电容电压平衡稳定控制策略。其次,根据前面的分析,推导稳态时和故障条件下的MMC-HVDC系统的等效电路及数学模型。稳态时常规采用比例积分双闭环控制,但在两相旋转坐标系下存在电流耦合项需要加入前馈解耦控制,作为控制科学与工程中一个新的研究领域,比例复数积分(proportional complex integral,PCI)控制的研究备受关注,然而其在电力电子系统控制领域的应用尚未得到足够重视,通过对PCI控制原理进行分析,并深入探讨其在MMC-HVDC系统中的实现,在αβ坐标系下对电流内环进行设计。将PCI内环与功率外环结合,提出基于PCI控制的稳态控制策略。当发生交流系统电压不平衡或者不对称故障时,MMC换流站交流侧会产生负序电流恶化控制器性能。针对故障条件下MMC-HVDC系统数学模型,通过推导αβ坐标系下换流器负序分量的数学模型,在T/4延时法、T/16延时法、准无延时正负序分离算法的基础上,利用“通用信号延迟法得到αβ坐标系下的正负序电压电流,以抑制负序电流为目标,提出基于比例复数积分的交流系统故障时抑制负序电流控制策略。最后,通过电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对上述控制策略进行仿真研究,仿真结果表明所设计控制器可以在稳态时保持良好的跟踪性能,也可有效提高该系统在交流系统故障时的控制性能,且外环功率控制相互影响更小,证实本文所提出的控制策略是有效的。