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MMC-HVDC系统的中高频振荡稳定性与振荡抑制策略

MMC-HVDC系统的中高频振荡稳定性与振荡抑制策略

作     者:李尚轩 

作者单位:东北电力大学 

学位级别:硕士

导师姓名:辛业春

授予年度:2024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 稳定性分析 动态相量 中高频振荡 振荡抑制 

摘      要:模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其具有模块化程度高、输出谐波特性好、扩展性强的特点,成为柔性直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current,MMC-HVDC)工程中的主流拓扑结构。但是由于MMC-HVDC系统的控制复杂且包含大量的电力电子器件,导致近年来发生了多起中高频振荡事件。针对MMC-HVDC系统出现的振荡问题,现有文献大多直接采用简化模型对系统的稳定性进行分析,未能在考虑MMC多谐波交互特性的基础上系统的构建包含完整控制系统的MMC建模体系,不能准确分析控制系统对MMC阻抗特性的影响;此外,现有的振荡抑制策略对系统参数的要求较高,对振荡抑制的效果受限于特定场景,不能完全消除系统的振荡风险。为此,本文针对MMC-HVDC系统的数学建模、振荡稳定性分析以及中高频振荡抑制策略设计展开研究,主要研究内容如下: 首先,建立能准确表征MMC谐波交互特性及运行特性的动态相量模型。通过分析MMC的工作原理及其运行特性,得到基于MMC桥臂平均模型而推导的基础数学模型;在此基础上,考虑MMC内部多谐波分量的交互作用,采用动态相量法建立了MMC的动态相量模型,该模型能准确揭示MMC的运行特性,并且便于后续建立MMC的阻抗模型;随后对MMC的控制系统进行建模,建立了考虑锁相环控制、双闭环控制以及环流抑制控制的控制系统模型。 然后,通过阻抗分析法对MMC-HVDC系统的振荡稳定性进行分析,探究了控制系统对MMC阻抗特性的影响规律。对MMC的动态相量模型采用小扰动法和拉普拉斯变换等数学方法,得到MMC的阻抗模型;基于建立的阻抗模型,结合阻抗分析法分析了控制系统对MMC阻抗特性的影响规律,得出了功率外环、电流内环以及控制链路延时是影响系统中高频振荡的主要影响因素。 最后,提出了基于直流电流反馈的MMC-HVDC系统中高频振荡抑制策略。在电压前馈环节和电流内环附加滤波器的协同抑制策略的基础上,提出了功率外环附加直流电流反馈的振荡抑制策略,该策略不仅能有效改善MMC的阻抗特性,还能提升系统的动态响应性能。通过电磁暂态仿真软件对比分析了所提抑制策略对MMC阻抗特性的改善效果。 本文的数学建模、振荡稳定性分析及中高频振荡抑制策略均通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件进行了仿真验证。本文的研究能够为MMC-HVDC系统的安全稳定运行提供理论指导。

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