高压大容量MMC-HVDC先进阀基控制策略研究

作     者：何智鹏 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：赵成勇

授予年度：2016年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：模块化多电平换流器(MMC) 启动控制策略 电容电压平衡 混合排序算法 平均开关频率 阀基主动均压控制策略 

摘      要：随着电力电子技术的快速发展,多电平换流器在高压大容量领域的应用受到了越来越多的关注。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)作为新一代柔性直流输电技术的核心设备,在清洁能源传输、电力系统互联、海上钻井平台供电、大城市供电以及海上孤岛供电等场合具有广阔的应用前景。近年来,包括换流器启动控制策略、子模块电容电压均衡控制策略以及降低子模块IGBT平均开关频率等阀基控制等方面已有大量文献进行了研究,本文在总结前人研究成果的基础上,针对以上几个方面进行了更深入的研究。(1)论文介绍了MMC的主电路及子模块拓扑、基本的调制方式以及控制策略。基于半桥子模块(Half-bridge Sub-module, HBSM)的HBMMC和全桥子模块FBMMC (Full-bridge Sub-module, FBSM)拓扑结构的不同,提出了一种针对FBMMC-HVDC的新型三段式启动控制策略,将不控充电过程分为两个阶段对子模块进行预充电,理论推导证明了通过全桥换流器闭锁不控充电阶段的子模块电容电压仅为半桥不控充电阶段后子模块电容电压大小的一半。从桥臂电流最大值方面提出了交流侧限流电阻的计算方法。在PSCAD/EMTDC中搭建电磁暂态仿真模型,仿真验证了所提启动控制策略的可行性与有效性。(2)提出了一种采用质因子分解法与希尔排序算法的混合排序算法。推导了适用于MMC-HVDC系统的希尔排序步长的时间复杂度,给出了基于混合排序算法的排序次数计算公式,分析了分组层数对降低系统频率的影响,得到了分组层数与混合排序算法优化效率成反比例关系的结论。仿真结果表明混合排序算法能实现电容电压的动态平衡,并对模型的仿真速度有较大的提高。(3)提出了一种MMC阀基主动控制策略。首先,提出了一种改进的电容均压排序算法并推导得到了其子模块电容电压纹波幅值与IGBT平均开关频率呈反比例的数学关系,为设计基于PI控制器的主动均压策略提供了输出阈值的设计准则;其次,设计了一种在线测量IGBT平均开关频率的模块,可以实现开关频率的划窗式动态测量,设计了定量控制IGBT平均开关频率的闭环控制器。最后搭建仿真模型,分别针对稳态、潮流翻转以及严重交直流故障情况验证了所提出的MMC阀基主动均压控制策略鲁棒性和工程适用性。