抑制MMC子模块电容电压波动的谐波注入策略

作     者：邓伟成 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：许建中

授予年度：2022年

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

主      题：二次谐波电流注入 三次谐波电压注入 电容电压波动抑制 MMC 单相接地故障 

摘      要：在高压直流输电领域,模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）因其具有模块化设计、无换相失败等特点而受到广泛的关注。然而相同容量下MMC相较于传统电流源型换流器,存在体积重量大的问题。远海风电经MMC送出是目前工程中的主流方案。MMC子模块电容占子模块体积的1/2以上、成本的1/3左右。降低MMC的体积和重量有助于降低海上平台和换流站本身的建设成本。通过谐波注入策略抑制电容电压波动以减少电容容值设计需求是MMC轻型化的主要思路。然而现有策略的电容电压波动抑制效果仍有提高空间。然而,现有策略只关注于分析稳态工况下谐波注入策略的效果,忽略了交流暂态特性对稳态策略的影响。针对上述问题,论文从稳态和暂态两个层面开展了相关研究工作,内容如下:首先,提出稳态MMC二次谐波电流注入策略和耦合谐波注入策略,其中耦合谐波注入策略为二次谐波电流与三次谐波电压注入策略的结合;介绍了二次谐波电流注入后和耦合谐波注入后的桥臂功率建模过程,给出两种策略谐波注入参数的优化选取原则;针对耦合谐波注入策略,对比了有无二次谐波电压的桥臂功率模型精度,分析了二次谐波电流和三次谐波电压注入的各自约束条件;通过PSCAD/EMTDC仿真验证,两种策略均有效地抑制电容电压波动。在半桥MMC场景下,两种策略对于电容电压波动的抑制效果基本相同。在半全子模块混合型MMC场景下,耦合谐波注入策略能进一步提高电容电压波动的抑制效果。其次,提出一种单相接地故障下MMC二次谐波电流注入策略。分析发现稳态策略在故障工况时存在子模块过电压风险;建立了暂态下二次谐波注入的MMC桥臂功率波动的数学模型;基于所建数学模型给出了二次谐波电流幅值相位的优化选取原则并给出故障后电容电压波动抑制效果的评价方法;经PSCAD/EMTDC仿真模型验证,所提策略能有效抑制单相接地故障后MMC三相子模块电容电压波动。最后,基于所提稳态耦合谐波注入策略,提出一种单相接地故障下MMC耦合谐波注入策略。推导单相接地故障后耦合谐波注入的桥臂功率波动模型,并分析了稳态耦合谐波注入策略在单相接地故障工况下的适应性;给出了单相接地故障工况下的谐波注入参数选取原则;仿真结果表明所提策略能有效单相接地故障后MMC三相子模块电容电压波动。