MMC子模块降容后系统特性研究

作     者：赵宇含 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：杨琳

授予年度：2021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：模块化多电平换流器(MMC) 降容策略 稳态运行范围 直流故障特性 换流阀损耗 

摘      要：随着高电压大容量全控型电力电子器件的发展,以模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）为核心的柔性直流输电技术得到了相应发展,我国已有多个采用MMC作为换流器拓扑的柔性直流输电工程投运。为解决MMC换流阀体积/重量大、成本高的问题,需在控制系统中加入二次环流抑制和三倍频电压注入等环节来抑制子模块电容电压波动,通过降低子模块电容电压峰值达到降低子模块电容值的目的。然而,采用附加控制策略降容也会在一定程度上对MMC系统的稳态运行范围、故障电流峰值和阀损耗等特性产生影响。本文针对MMC子模块降容后的系统特性开展研究,主要内容如下:首先,以MMC的拓扑结构和降容控制策略为基础,分析了 MMC稳态运行范围的主要约束条件。根据约束条件采用遍历法对MMC的稳态运行区间进行求解,分别得到了子模块降容前和降容后MMC的稳态运行范围,并对稳态运行范围计算方法的有效性进行了仿真验证。对比降容前和降容后系统的稳态运行范围,发现降容后的稳态运行范围比降容前在无功功率大于零方向增大较多,在无功功率小于零方向略有增加,证明了采用二次环流抑制和三倍频电压注入附加控制策略降低子模块电容不会缩小系统的稳态运行范围。然后,采用元件等效的方法对MMC系统直流侧发生故障的情况进行分析。通过对MMC内部元件进行等效和对故障回路进行化简,推导出发生单极接地故障和双极短路故障时故障电流的解析表达式,比较了降容前和降容后的故障电流大小。仿真验证结果表明降容后单极接地故障和双极短路故障的电流峰值是降容前的0.9463倍,证明了采用二次环流抑制和三倍频电压注入附加控制策略降低子模块电容后,系统直流侧单极接地故障和双极短路故障的故障电流可以一定程度降低。最后,提出了一种适用于采用二次环流抑制和三倍频电压注入附加控制策略降低子模块电容后的MMC换流阀损耗计算方法。将换流阀总损耗分为通态损耗、必要开关损耗和附加开关损耗,根据桥臂电流方向和桥臂电压变化情况对这三类损耗进行分段计算,并对损耗计算方法的正确性进行了仿真验证。结果表明,与降容前相比,降容后MMC换流阀的损耗不会增加,若采用三倍频电压注入来提高系统的调制比,换流阀损耗还可以进一步降低。