模块化多电平换流器型直流输电系统若干控制技术研究

【摘要】：模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)因其具有模块化设计、易于扩展、开关频率低和输出电压波形质量好等优点,在高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)领域具有广阔的应用前景,MMC-HVDC已成为柔性直流输电的发展趋势。控制策略是MMC-HVDC的关键技术,控制策略直接决定了实际的运行性能。电网电压对称时MMC-HVDC控制策略的研究成果较多,相对成熟,而不对称电网电压下MMC-HVDC控制策略的研究成果相对较少,已成为当前的一个研究热点和难点。虽然国内外学者已开展了相关方面的研究并取得了一定的进展,但仍有部分问题亟待解决。正常运行过程中,电网电压三相不对称程度较小,一般发生交流故障时才会出现严重的不对称。因此,研究不对称电网电压下MMC-HVDC的控制策略对于优化其运行性能和提高其故障穿越能力具有重要意义。MMC-HVDC在向孤岛、海上钻井平台和城市中心等弱交流网络或无源网络供电领域正发挥越来越大的作用。无源网络含不对称负荷或非线性负荷时,现有的控制策略难以保证逆变站向无源网络提供高质量的供电电压,因此,有必要研究逆变站高性能控制策略。本文的主要工作围绕MMC-HVDC控制策略展开,重点研究了以下几个方面的内容：(1)不对称电网电压下MMC-HVDC交流侧控制策略建立了MMC-HVDC交流侧通用功率模型,提出无差拍直接功率控制策略。该策略不需要电流内环,可实现交流侧有功和无功的直接控制,控制结构简单,响应速度快。为了使该策略能应用于不对称电网,对交流侧功率进行深入分析,提出功率补偿策略并给出不对称电网电压下三种控制目标对应的功率补偿项计算公式。为提高MMC-HVDC不对称电网电压下的运行能力,提出一种新型不平衡控制策略。该策略在正向同步旋转坐标系下电流PI闭环控制的基础上引入以抑制负序电流、抑制有功波动或抑制无功波动为控制目标的辅助控制器,避免了电压、电流正负序分解和繁琐的指令电流计算。将二阶广义积分器(Second Order Generalized Integrator, SOGI)、降阶广义积分器(Reduced Order Generalized Integrator, ROGI)和降阶矢量比例积分器(Reduced Order Vector Proportional Integrator, ROVPI)三种控制器作为辅助控制器的备选方案,进行了对比研究。研究发现,SOGI作为辅助控制器将产生三次正序谐波,导致电流畸变；与ROGI相比,ROVPI具有更好的控制精度和相位裕度,选择ROVPI作为辅助控制器。PSCAD/EMTDC下的仿真结果验证了上述两种不平衡控制策略的正确性和有效性。(2)不对称电网电压下MMC-HVDC环流抑制策略推导了不对称电网电压下相单元瞬时能量表达式,并分析了环流产生原因及不同情况下环流的成分。给出了流过各相单元直流电流即环流参考值的计算公式,指出电网电压不对称时三相直流电流不一定彼此相等。提出三相静止坐标系下基于PI调节器与改进谐振(Improved Resonant, IR)调节器并联结构的新型环流抑制策略。该策略直接在三相静止坐标系下执行,因而无需旋转坐标变换和锁相环,控制结构简单,可以同时消除2倍频正、负、零序环流,在电网电压对称和不对称时均适用。仿真结果表明,所提环流抑制策略在对称和不对称电网下都能有效消除环流。(3)不对称电网电压下MMC-HVDC桥臂电流控制策略桥臂电流中包含了直流电流、交流侧电流和环流三种成分,通过调节桥臂电流,可同时实现交流侧电流控制和环流抑制。本文提出两种桥臂电流控制策略：1)基于解耦器和PI调节器-矢量比例积分(Vector Proportional Integral, VPI)调节器的MMC-HVDC桥臂电流控制策略；2)基于简化的两步预测模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)算法的MMC-HVDC桥臂电流控制策略。对于第一种方法,通过计算和分析相对增益矩阵揭示了输入和输出的耦合关系,提出了相应的解耦方法以简化控制器的设计。在三相静止坐标系下,采用PI-VPI调节器以控制直流电流、交流侧电流并消除2倍频环流。为克服VPI参数选择的主观性和盲目性,提出了VPI参数选择方法并给出详细步骤。对于第二种方法,建立基于桥臂电流的离散数学模型,据此提出基于单步预测MPC算法即1s-MPC,用于控制桥臂电流。为了提高控制性能,采用基于两步预测的MPC算法即2s-MPCⅠ,但其计算量较大。为了降低计算量,在两个控制周期内使用相同的控制矢量,得到2s-MPCⅡ算法。当MMC的子模块数较多时,2s-MPCⅡ的计算量仍然较大。为了进一步降低计算量,提出一种简化的两步预测MPC算法即2s-MPCⅢ。详细给出了4种MPC算法的执行步骤及流程图,并从控制性能、平均开关频率和计算量等方面进行对比。两种桥臂电流控制策略在电网电压对称、不对称及上、下桥臂不对称等情况下均能取得良好的控制效果。相比于第一种方法,第二种方法省略了解耦器和调制过程,控制结构简单,动态性能好。仿真结果验证了两种桥臂电流控制策略的有效性。(4)向无源网络供电的MMC-HVDC逆变站高性能控制策略向无源网络供电的逆变站通常采用电压外环、电流内环的控制方法,存在控制结构复杂、4个PI调节器参数调整困难、负载扰动下动态响应较慢、向非线性负载及不对称负载供电时电压质量较差等缺点。为此,本文首先建立了MMC-HVDC逆变站ABC三相静止坐标系下的连续数学模型,将其离散化得到相应的预测方程,进而提出了逆变站模型预测直接电压控制策略(MPDVC)。为降低MPDVC的计算量,将无差拍控制和MPDVC相结合提出无差拍模型预测直接电压控制策略(DBMPDVC)。详细给出了MPDVC和DBMPDVC的执行步骤,并定性分析了二者的等价性。DBMPDVC省略了PI调节器和电流内环,简化了控制结构,并实现了对电压的直接控制。PSCAD/EMTDC下的仿真结果表明,DBMPDVC稳态和动态性能良好,在各种工况下均能向无源网络提供较高电压质量的电能。