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子模块混合型MMC-HVDC直流故障控制策略研究

张帆  
【摘要】:模块化多电平换流器高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct C urrent,MMC-HVDC)以其独特的技术优势,已成为未来电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter based HVDC,VSC-HVDC)领域的发展趋势。随着MMC-HVDC向更高电压、更大传输容量和更远距离输电的方向发展,采用具有明显经济和技术优势的架空线输电成为未来MMC-HVDC工程的必然选择。然而,架空线会难以避免地面临直流故障发生概率较高的问题,因而快速、可靠地清除直流故障、尽量减小直流故障瞬间过电压、过电流对于系统的危害,已成为采用架空线的MMC-HVDC系统的迫切需求。为了兼顾换流器的直流故障电流清除能力和良好的经济性,由所用器件数目最少、但不具备直流故障电流清除能力的半桥子模块和具备直流故障清除能力的新型MMC拓扑子模块组成的混合MMC已引起学术界和工程领域的广泛关注。本论文将针对采用架空线的MMC-HVDC系统,基于子模块混合型MMC的换流器拓扑,分别针对直流故障引起的故障电流和故障电压,通过拓扑结构改变和控制保护策略设计,提出相应的解决方案。(1)MMC-HVDC直流故障电流解决方案——子模块混合型MMC拓扑结构研究首先介绍了MMC的基本运行原理与控制策略;其次着重介绍了三种典型的子模块拓扑:半桥子模块(Half Bridge Sub-Modules,HBSM)、全桥子模块(Full Bridge Sub-Modules,FBSM)和箝位双子模块(C lamp Double Sub-Modules,CDSM),通过比较其拓扑特点,确定了以HBSM和FBSM为基本单元的子模块混合型MMC作为研究对象;为了应对MMC-HVDC直流故障电流,分析了MMC直流侧单极接地故障和双极短路故障的故障电流通路,根据故障穿越机理设计了MMC的子模块配置原则,FBSM的个数占桥臂子模块总个数的最低比例应为0.5。最后,分别以HBSM和FBSM为基础,提出了以并联IGBT开关组分列运行的新型子模块拓扑:双半桥子模块(Double Half-bridge Sub-module,D-HBSM)和并联全桥子模块(Paralleled Full-bridge Sub-module,P-FBSM,)构成的新型子模块混合型MMC;依照其子模块电容电压均衡规律特点设计了子模块触发策略,对于P-FBSM的个数占桥臂子模块总个数比例为0.5的新型子模块混合型MMC,其子模块均压排序算法的计算量降至原来的约1/16。(2)MMC-HVDC故障过电流解决方案——基于虚拟阻抗的MMC故障过电流抑制方法针对MMC-HVDC系统直流、交流侧故障产生过电流的抑制问题,分别对MMC直流、交流侧故障产生的过电流机理进行分析,得出了不同电路参数对于过电流程度的影响;继而提出了基于虚拟阻抗的过电流抑制策略,通过将实际电路元件的特性映射入控制系统以达到抑制故障过电流的目的;为了更好地评估以上过电流抑制策略的有效性,针对MMC故障设计了三项过电流评价指标:桥臂瞬时电流,桥臂平均峰值电流,电流产热系数。其中,桥臂平均峰值电流作为平均性指标可以在一定程度上代表桥臂瞬时电流的平均水平,具有评估故障过电流水平的普遍意义。最后基于PSCAD/EMTDC搭建了双端11电平仿真模型,分别在系统中设置直流侧和交流侧故障,通过所提评价指标,仿真结果验证了基于虚拟阻抗的过电流抑制策略的有效性。(3)MMC-HVDC直流故障过电压解决方案——可实现MMC交、直流侧电压偏置解耦的分极控制策略首先定义了“电压偏置率”的概念,通过对MMC上、下桥臂进行统一对称的分析,得到基于现有的主流dq解耦双闭环控制器,MMC的交、直流侧电压的偏置具有天然耦合,其电压偏置率具有与调制度M相关的正比例关系。重新对MMC内部电路进行建模,将上、下桥臂相关电气量区别处理,得到交流侧馈入电流、直流母线电压、上下桥臂功率间的正比例相关关系,该关系为MMC分极控制策略的主要理论基础,基于该理论基础,设计了可实现MMC交、直流侧电压偏置解耦的分极控制策略。对于分极控制策略进行简单验证,证明其具备现有dq解耦双闭环控制器相同的控制效果,并具有环流抑制作用。(4)MMC-HVDC直流故障过电压解决方案——子模块混合型MMC的不对称结构与不对称运行子模块混合型MMC的不对称结构与不对称运行为可实现MMC交、直流侧电压偏置解耦的分极控制策略的具体应用和拓展。为了实现MMC上、下桥臂相对独立的控制与运行,提出了子模块混合型不对称MMC的结构,并针对直流电压可变和直流电压保持不变两种具体工程应用场景提出了以HBSM、FBSM为基本单元的桥臂子模块配置原则;指出在满足一定换流器结构要求的前提下,采用分极控制策略可以在联结变压器二次侧无直流偏置的前提下实现MMC-HVDC系统直流侧的不对称运行;在直流侧发生不对称故障时,使用分极控制策略可以显著减小直流母线的过电压水平。


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