模块化多电平换流器直流输电系统稳定性关键问题研究

【摘要】：模块化多电平换流器(Modular Multileve Converter, MMC)具有谐波含量低、可模块化设计、开关频率和运行损耗低等优点,其提出后引起了学术界的广泛关注和研究,并成为目前柔性直流输电系统的主流拓扑结构。基于MMC的直流输电系统(MMC based HVDC system, MMC-HVDC)运行中的稳定性和阻尼特性,是系统运行中的一个重要问题,其不仅关系到系统稳态下能否稳定运行,而且关系到故障等情况下的系统恢复等暂态特性,保证系统运行稳定性和阻尼特性也是进行控制参数设计和优化的主要目的。研究MMC-HVDC系统的稳定性及其影响因素,并提出改善系统稳定性的策略,具有重要的理论和工程意义。首先研究了MMC-HVDC系统的数学模型和基本控制策略,然后围绕MMC-HVDC系统的稳定性问题,针对其内部渐进稳定性、内部谐波稳定性、交直流交互影响的稳定性问题等三个关键问题进行了深入研究,开发了研究其稳定性的解析数学模型,并得出一系列具有工程实用价值的结论。1) MMC-HVDC的数学模型和控制策略研究作为MMC-HVDC稳定性分析的基础,首先研究了MMC的基本运行原理,包括其子模块拓扑运行机制、多电平产生原理、基本数学模型和平均开关函数模型等。然后搭建了MMC-HVDC系统的控制系统,包括：基于d-q解耦控制策略的主控制器、最近电平逼近调制、子模块电容电压排序均压算法以及附加环流抑制控制器等。针对采用“热备用”冗余子模块时由子模块故障可能导致的桥臂不对称运行问题,分析了MMC的不对称桥臂运行特性,揭示了其造成上、下桥臂电容电压基值不对称、各次不对称环流、直流电流波动、交直流侧电压偏置、各桥臂直流电流分量不对称等故障机理。基于平衡上、下桥臂基频电压分量的思想,提出一种具有子模块故障容错控制能力的环流抑制控制器,其通过在传统二倍频比例谐振环流控制器的基础上引入基频谐振控制器,以解决不对称桥臂引起的一系列不平衡问题。最后基于P SCAD/EMTDC搭建双端201电平MMC-HVDC系统,仿真结果验证了所提出控制策略的有效性。2)MMC内部渐进稳定阻尼特性研究MMC桥臂间的平衡是其内部稳定性的重要方面,MMC桥臂间平衡的实质是内部渐进稳定问题,而该渐进稳定的阻尼特性直接决定了MMC桥臂发生异常充、放电后的故障恢复特性,因此也是换流器内部暂态稳定性的范畴。基于平均开关函数思想,建立了详细的桥臂间电容电压动态平衡数学模型,并分析了桥臂间平衡(即渐进稳定)阻尼特性的影响因素。分析结果表明,MMC的内部渐进稳定阻尼特性受桥臂电阻、调制比和子模块电容等因素影响。在一定范围内桥臂电阻越大其阻尼特性越好,因此MMC在阻尼特性和低损耗之间存在矛盾,较小的桥臂电阻可能导致较差的渐进稳定阻尼特性。为提高MMC内部渐进稳定的阻尼特性,基于“虚拟电阻”思想,提出了附加阻尼控制策略,可在不增加额外损耗的情况下明显改善阻尼特性。最后,通过在PSCAD/EMTDC下的仿真验证了解析分析的正确性,以及所提出控制器的有效性。3)考虑内部动态特性的MMC小信号模型及内部谐波稳定性分析小信号模型是系统稳定性分析和进行参数设计的重要方法。目前对于MMC的小信号建模,通常忽略子模块电容电压波动、内部环流、环流抑制控制器等内部动态行为,从而简化状态空间模型的建立,但却会对系统特征根和稳定性分析造成一定误差。基于“动态相量”的建模思想,建立了考虑换流器内部动态特性的MMC详细小信号模型,所建立的小信号模型提供了与外部控制器和交、直流系统的接口,具有较强的通用性。通过与电磁暂态(Electromagnetic Transient,EMT)仿真模型的动态响应对比,验证了所提出模型的准确性。同时,也建立了不考虑内部谐波动态特性的简化端模型,并将简化端模型和详细模型的小信号动态响应分析结果进行对比。结果表明,应用简化端模型研究系统动态特性存在一定误差,验证了建立MMC详细小信号模型的必要性。基于所建立的详细MMC小信号模型,对一个单端MMC-HVDC系统进行了特征根分析和模态识别,通过计算参与因子将MMC-HVDC系统的模态分为“外部模态”和“内部谐波模态”,并表明采用简化MMC端模型无法对内部谐波模态进行分析。然后,对MMC内部谐波模态及其影响因素进行了重点详细的分析,分析结果表明,MMC的内部谐波模态通常呈弱阻尼特性,在系统稳定性分析中不容忽略,换流器的环流抑制策略、桥臂电阻、外部主控制器增益等都对内部谐波模态具有较大影响,并首次揭示了由内部动态导致的MMC“谐波不稳定”现象。揭示了各因素对MMC的谐波稳定性的影响规律,对工程参数设计和调试具有现实的指导意义。4) MMC-HVDC交、直流侧系统交互影响分析MMC与其所连接的交流系统及其直流侧电路的交互影响可能带来谐振或不稳定问题。为研究该课题,首先基于“动态相量”的建模思想,建立了一个54阶端对端MMC-HVDC系统的小信号模型,并对其进行模态分析和识别。针对MMC和交流侧电路的交互影响,重点研究了交流系统变化对MMC内部谐波模态的影响,研究表明交流系统变化可能导致MMC内部发生谐振或谐波不稳定,特别是在无环流抑制控制器采用或环流抑制控制器增益较小时,内部谐波模态对交流系统变化更为敏感。然后基于MMC和交流系统在d-q旋转坐标系下的阻抗频率特性,推导了研究交直流系统交互作用的频域分析方法,并采用奈奎斯特稳定判据判定系统稳定性,该频域分析方法避免了三相静止坐标系下存在的频率耦合问题,分析结果更为精确可靠。针对MMC和直流侧电路的交互影响,研究了主控制器参数、环流控制器参数等对直流交互模态阻尼特性的影响。分析结果表明,采用单端MMC-HVDC进行系统研究将对直流交互模态的分析带来很大误差,甚至导致错误判定系统稳定性,直流交互模态对直流电压控制端的控制参数比对功率控制端的控制参数更敏感,另外,直流交互模态可与内部谐波动态发生耦合,其受环流抑制控制器的参数影响较大,不能忽略。