MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略與物理模擬系統(tǒng)研究.pdf

1、電壓源換流器高壓直流輸電(Voltage Source Converter based High VoltageDirect Current，VSC-HVDC)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。VSC-HVDC在新能源并網(wǎng)、輸電網(wǎng)絡、配電網(wǎng)絡等領域具有大范圍的適應性，正改變著交流電網(wǎng)的傳統(tǒng)結構。模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)作為VSC-HVDC適用于高電壓大功率的領域的拓撲結構得到了

2、廣泛重視。MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)可以用于研究MMC-HVDC的運行特性，為控制策略的研發(fā)提供必要的實驗平臺，因此開展MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)研究具有重要的工程意義。本文將重點研究以下內(nèi)容:
　　1)MMC-HVDC的實時數(shù)字仿真模型研究與快速控制原型設計
　　為研究MMC-HVDC的實時數(shù)字仿真模型與快速控制原型，首先簡要說明了MMC基本運行原理與子模塊工作原理。其次介紹了分層的MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，

3、重點闡述了換流站級基于d-q軸的解耦控制策略。進而分別介紹了載波移相正弦脈寬調(diào)制(Carrier Phase Shifted Sinusoidal Pulse WidthModulation，CPS-SPWM)與最近電平逼近控制(Nearest Level Control，NLC)兩種調(diào)制方法和子模塊電容電壓平衡控制策略。
　　在介紹實時數(shù)字仿真器(Real Time Digital Simulator, RTDS)及其各種小步長

4、模型之后，研究了MMC-HVDC實時數(shù)字仿真模型的建模方法，詳細說明了級聯(lián)多電平CHINAV3模塊的參數(shù)設置方法，建立了11電平MMC-HVDC系統(tǒng)模型，在該系統(tǒng)模型中實現(xiàn)了系統(tǒng)交流自勵式啟動、間接電流控制、子模塊電容電壓均衡算法以及最近電平逼近控制算法?；诿嫦騼x器系統(tǒng)的PCI擴展(PCIExtensions for Instrumentation，PXI)對MMC-HVDC控制系統(tǒng)進行快速原型化，在PXI環(huán)境中開發(fā)調(diào)試了MMC-HV

5、DC系統(tǒng)的定有功功率與定交流電壓控制程序，自定義了增量式PI調(diào)節(jié)器并配置了輸入輸出板卡及I/O端口。最后，建立了RTDS-PXI數(shù)?；旌蠈崟r仿真系統(tǒng)，混合實時仿真實驗結果表明了所設計的物理控制器可以有效地調(diào)節(jié)母線電壓和有功功率，具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)性能，為MMC-HVDC控制系統(tǒng)快速原型化提供了有效途徑。
　　2)MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)控制架構研究
　　重點研究了分層的MMC-HVDC控制系統(tǒng)架構，運行人員控制系統(tǒng)（上

6、位機）、極控制和保護系統(tǒng)(Pole Controller&Protection System，PCP)、閥基控制器(ValveBased Controller，VBC)、子模塊控制器(Sub-module Controller，SMC)等由高到低構成了完備的控制體系。上位機完成一次系統(tǒng)電壓電流信號的顯示以及產(chǎn)生系統(tǒng)運行有功類、無功類物理量參考值，并遠程對系統(tǒng)中的斷路器控制。PCP接收有功和無功類物理量參考值，完成一次系統(tǒng)電壓電流信號的采

7、集以及有功量和無功量的控制，產(chǎn)生調(diào)制比M和移相角δ，形成正弦電壓參考波。VBC根據(jù)PCP產(chǎn)生的參考波，并結合子模塊電容電壓平衡控制策略來產(chǎn)生各個子模塊所需的觸發(fā)脈沖。SMC實現(xiàn)對全控器件的可靠觸發(fā)與保護。信號采集調(diào)理設備主要完成電流互感器CT與電壓互感器PT輸出信號的調(diào)理。
　　設計了MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的運行狀態(tài)、各控制層之間的通訊內(nèi)容以及協(xié)調(diào)控制策略，對控制器程序進行了開發(fā)與調(diào)試。
　　子模塊投切狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，由于

8、絕緣柵雙極晶體管(Insulate Gate BipolarTransistor，IGBT)特性不完全相同，為防止上下IGBT同時導通而造成電容短路，需對IGBT設置死區(qū)。分析了橋臂電流方向與子模塊投切狀態(tài)對子模塊輸出電壓誤差的影響，然后考慮到理想條件下CPS-SPWM調(diào)制的特點，對換流器交流側(cè)的電壓誤差建立了精確的傅里葉級數(shù)。繼而采用取平均值的簡化方式分析電壓誤差對換流器交流側(cè)電壓基波幅值與相位的影響，推導了電壓誤差的等效基波幅值、實

9、際輸出基波幅值以及角度偏移量的公式，并在此基礎上提出了死區(qū)造成的電壓誤差的補償方法。然后進一步分析了非理想狀態(tài)下死區(qū)對換流器交流側(cè)電壓的影響。PSCAD/EMTDC的仿真結果表明了死區(qū)分析的正確性與補償方法的有效性。
　　3)MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的實驗研究
　　對MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的一次系統(tǒng)結構進行了設計，針對MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的不同屏柜，介紹了安裝于其中的各種一次與二次設備，同時設計了子模塊硬件

10、結構并進行了元器件選型。
　　對子模塊進行了絕緣實驗，檢測了子模塊高壓特性。設計了子模塊的穩(wěn)態(tài)測試平臺及其控制程序。對子模塊進行了穩(wěn)態(tài)的空載與負載實驗，實驗結果驗證了子模塊的良好性能，SMC可以與VBC進行有效通訊并可以對子模塊進行有效控制保護，驗證了子模塊穩(wěn)態(tài)測試平臺的有效性。
　　進行了MMC-HVDC物理模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)實驗，實驗表明控制系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)物理模擬系統(tǒng)的啟停、子模塊電容電壓平衡、基本的故障保護以及直流電壓

11、與功率的控制，并針對實驗中控制器出現(xiàn)的問題，提出了一種改進的控制器設計方案。
　　子模塊電容電壓排序是電容電壓平衡算法的重要一環(huán)，首先比較了典型的排序法，根據(jù)工程上MMC-HVDC控制系統(tǒng)與可編程門陣列(Field ProgrammableGate Array，F(xiàn)PGA)并行計算的特點，采用并行排序的思想，減少了子模塊電容電壓排序計算的時間。接著對子模塊電容電壓分組排序方法進行了研究，然后通過優(yōu)化子模塊電容電壓上傳的數(shù)據(jù)，一方面減