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MMC-HVDC保护控制关键问题研究

朱明琳  
【摘要】:采用全控型电力电子器件--电压源型换流器的柔性直流输电技术,实现了有功、无功的解耦控制,技术日趋成熟;柔性直流输电技术具有潮流控制快速、输电灵活可靠、可以向孤立负荷供电、短路容量小等特点,适合新能源接入、城市电网供电和跨区域交流电网非同步互联,实现多电源供电,多落点受电。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有多模块级联、结构灵活、便于扩展、开关频率较低、开关损耗较小等特点,多电平叠加可输出很高的电压。因此,基于MMC的柔性直流输电技术,受到国内外学者的广泛关注。本文针对基于MMC的柔性直流输电系统在电网侧不平衡故障和直流侧故障情况下,系统的保护控制的关键问题展开研究。主要工作如下:(1)模块化多电平换流器的工作原理及其数学模型。研究了不同子模块拓扑结构下MMC系统的基本工作原理。依据基尔霍夫定律和能量方程,建立了MMC的交直流解耦数学模型;详细总结分析了MMC的控制算法,并通过仿真与物理试验进行验证。(2)电网不平衡下换流器的控制算法研究。总结分析了电网电压不平衡情况下换流器控制算法,并提出了多变量的保护控制算法。针对电网电压不平衡下,电网电压负序分量导致的系统三相电流不平衡或非正弦、直流侧电压存在较大纹波、功率二倍频波动等问题,提出多变量保护控制算法,并对比分析了采用多变量保护控制和传统控制算法,换流器输出功率的二倍频波动幅值。重点分析了多变量保护控制对MMC系统功率纹波、交流电流幅值、环流、上下桥臂电容电压差以及上下桥臂电压和的纹波的影响。(3)针对所提出的多变量保护控制算法,提出了调节参数设计方法。依据多变量保护控制对MMC的影响,重点分析了多变量保护控制下MMC系统安全运行范围。从MMC系统相电流幅值、上下桥臂电容电压和的二倍频波动以及最大无功注入三个方面,给出保证MMC系统安全运行的调节参数的计算公式。并根据调节参数对MMC系统的容量的影响,提出调节参数的设计方法。此外,考虑换流器对并网点电压的支撑作用,在多变量保护控制算法下,提出了最优调节参数和注入功率的计算方法,并具体给出了满足并网规范的并网点电压正负序分量的计算方法。(4)分析了具有直流故障自清除能力的MMC子模块拓扑结构,提出了新的不对称双子模块和半桥型模块结合的混合型MMC结构。详细对比分析了现有的具有直流侧故障自清除能力的拓扑结构的优缺点,对不对称双子模块的拓扑结构和工作原理进行了详细介绍,并对该新型拓扑结构的控制算法和损耗计算进行了详细的阐述和分析。为解决不对称双子模块高成本和高损耗的问题,提出了不对称双子模块和半桥型模块结合的混合型MMC结构,并给出了两种模块的具体配置原则。(5)研究了三端直流输电系统在直流侧故障下采取的措施以及交流侧故障下系统的控制策略。针对直流母线断线故障,详细分析了MMC系统的等效电路,故障后系统的处理方式;针对直流母线极间短路故障,详细分析故障等效电路,并提出有效可行的故障阻断方法。针对交流侧故障,对主从协调控制算法和下垂控制算法增加了功率限幅环节,依据故障下系统的安全运行范围,对功率限幅值进行了详细的推导计算;详细分析了多变量保护控制算法对三端系统直流侧电压和电流的二倍频波动的影响,并给出不同故障条件下合适的调节参数的设计方法。


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