模塊化多電平換流器在HVDC應用的若干關鍵問題研究.pdf

1、電力電子技術的不斷發(fā)展為建設智能、清潔、高效的現(xiàn)代電力系統(tǒng)提供了強大的支持，在高壓直流輸電(HVDC)和柔性交流輸電(FACTS)領域均取得了廣泛的應用。模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作為新一代高壓大功率換流裝置，當其在HVDC中應用時，具有輸電容量大，有功無功可獨立控制，交流輸出無需復雜的濾波裝置，可靠性高，可向無源或弱受端系統(tǒng)輸電等諸多優(yōu)點，被認為是柔性直流輸電的代表性技術。本

2、文在前人研究成果的基礎上，重點研究MMC在HVDC中應用的關鍵問題。
　　MMC電路中具有大量電力電子開關和直流電容器，其數(shù)學模型呈高階、離散、非線性的特點，難以建立準確的數(shù)學模型進行理論分析。以其物理電路模型為基礎，建立MMC的開關模型，通過簡化程度不同的三次降階化簡和坐標變換，推導MMC的平均值模型，通過小信號線性化，推導出低階、連續(xù)、線性的MMC的小信號模型。提出的建模方法明確了推導過程中的簡化條件，以便于根據(jù)不同的分析要求

3、選擇對應的簡化條件。提出的空間狀態(tài)數(shù)學模型具有直流側輸出電壓控制量，使MMC的數(shù)學建模更加完整，并為n可控的調(diào)制方法提供了理論基礎。
　　MMC在HVDC中應用時，換流器主要采用最近電平調(diào)制法(Nearest Voltage Level Modulation，NLM)進行閥組級控制。但何時及如何實施其中的選擇性子模塊投切策略，以及如何避免兩次相鄰投切操作產(chǎn)生沖突，需要詳細研究。定義了NLM法進行子模塊電壓選擇性投切的控制時機，給出

4、了控制時機的產(chǎn)生算法和沖突避免規(guī)則。在定義基礎上，根據(jù)不同類型的控制時機分別提出了相應的子模塊選擇方法，并對它們進行了對比，給出了控制時機的協(xié)調(diào)搭配方法。提出的正負極間子模塊數(shù)n可控的NLM調(diào)制方法，可以充分利用MMC中的冗余子模塊將其直流側在一定條件下等效為可控電壓源，為MMC直流電流控制提供了實現(xiàn)途徑。對提出的NLM法進行了進一步改進，提出了n可以為偶數(shù)也可以為奇數(shù)的改進型NLM法和適用于帶有全H橋子模塊的MMC的NLM調(diào)制方法，對

5、NLM的應用范圍進行了拓展。
　　n可控的NLM調(diào)制法可以將MMC的交流側和直流側均等效為一個受控電壓源，利用這一特性可以進一步豐富MMC的控制手段，以實現(xiàn)更好的系統(tǒng)特性。提出了MMC直流電流直接控制及其參數(shù)設計方法，以及當內(nèi)環(huán)采用直流電流控制時外環(huán)輸出控制器的參數(shù)設計方法，并給出了當系統(tǒng)包含MMC直流側直接電流控制時的控制策略和功率平衡限制條件。
　　電力系統(tǒng)中存在功率單向輸送的情況，此時可以采用送端使用二極管整流器，受端

6、采用MMC逆變器的ULMMC-HVDC結構，降低系統(tǒng)復雜度和成本，提高系統(tǒng)可靠性。提出電容儲能的ULMMC-HVDC利用MMC中存在的大量子模塊，將其與EDLC相結合。彌補了EDLC自放電率較大、耐壓較低的缺點，使子模塊電壓平衡控制容易實現(xiàn)，能量分布存儲使可靠性提高且易于維護。提出了能量管理控制器及其參數(shù)設計方法，用于限制存儲在換流器中的能量在設定的上下限之間。提出電池儲能的ULMMC-HVDC，可以使裝置整體實現(xiàn)較高的額定電壓接入電力

7、系統(tǒng)，且便于電池元件的維護、更換。相較于電容儲能，進行長期儲能時可以得到更高的存儲容量和充放電效率。提出了子模塊和子模塊組電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）平衡控制及其參數(shù)設計方法。
　　大規(guī)模MMC電磁暫態(tài)仿真模型中存在大量子模塊和電力電子元件造成模型階數(shù)過高、仿真效率過低的問題，需要研究提高仿真效率的方法。在MMC仿真電路模型與MMC開關函數(shù)數(shù)學模型完全等效的前提下，通過改善子模塊快速仿真模型和控制系統(tǒng)優(yōu)化

8、仿真算法等手段，極大地提高了仿真效率，從而使大規(guī)模MMC-HVDC的仿真研究變得可能。設計了MMC-HVDC控制系統(tǒng)的優(yōu)化仿真算法和數(shù)據(jù)結構，通過兩次排序解決子模塊選擇性投切問題和單個子模塊開關頻率過高的避免機制。
　　實際MMC裝置中存在大量子模塊，硬件上需要大量高吞吐能力IO進行測量控制，使控制難度增加;MMC控制系統(tǒng)一般由多控制器協(xié)調(diào)控制，但這些控制器間需要交互大量實時和非實時信號，難以保證同時可靠傳輸。研制了由400VAC

9、/+400VDC/3kVA/288-SM的小模型主電路和全比例控制系統(tǒng)組成的MMC驗證樣機。設計了MMC驗證樣機的硬件和控制軟件結構。研究并設計了子模塊測控信號復用電路，在不增加通訊負擔的前提下，僅通過增加簡單的數(shù)字電路，使IO數(shù)量與光纖通道數(shù)大為減少，降低了裝置成本和實現(xiàn)難度。提出了控制系統(tǒng)的雙總線結構，通過高速數(shù)字IO總線和CAN總線分別傳輸實時和非實時信號，解決了實控制器間數(shù)據(jù)交互問題。進行了MMC逆變并網(wǎng)實驗，實驗結果驗證了MM