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基于模块化多电平换流器的虚拟同步电机控制技术研究

杨双飞  
【摘要】:柔性直流输电在电网中的地位日益凸显,其电压等级不断提高,输送容量也越来越大,特别是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)技术已趋成熟的今天,柔性直流输电的系统容量早已突破千兆瓦级,对区域电网的影响已经不可忽视。现有MMC型柔性直流输电几乎都无一例外的采用矢量控制技术,矢量控制具有功率调节快速、能独立控制解耦等优点。然而,随着柔性直流输电系统的大规模接入,矢量控制技术的缺陷开始逐渐显露。柔性直流换流站的接入稀释了传统同步电机的装机容量,导致系统等效惯量降低,再者,柔性直流换流站对外表现零惯量和零阻尼特性,进一步恶化了系统运行环境。当送端电网功率大幅变化或者受端电网重型负荷投切时,极易引起交流系统电压和频率大幅波动甚至崩溃,而矢量控制的功率为定值控制,不能自主参与交流系统的电压和频率调节,所以很有必要研究MMC型柔性直流换流站参与系统调频调压的新型控制技术,从而实现MMC换流站和交流系统的有效互动与配合,并提供一定的惯性和阻尼。将MMC型柔性直流换流站的控制系统设计为虚拟同步电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)能够有效的解决上述问题。考虑到MMC柔性直流输电稳态电流较大,不能直接采用常规的VSG控制技术,需要同时兼顾限流能力和电压支撑能力。由此,本文综合矢量控制和VSG控制的优势,针对模块化多电平换流器型高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current,MMC-HVDC)的 VSG 控制方法进行研究,主要开展了:1.完成MMC型柔性直流换流站VSG控制的底层控制系统设计。首先将换流器桥臂简化为压控压源,并以逆变模式的MMC为例,详细进行了 MMC本体数学建模和交直流侧数学建模。然后针对提出的数学模型设计了电压外环和电流内环控制器,其中电压外环采用直接功率计算策略,电流内环采用PI控制策略。此外,由于本文三相桥臂采用受控电压源简化模型,环流抑制是必要的,因此在αβ坐标系下基于准比例谐振PR控制方法设计了环流抑制器,这样既能避免旋转坐标系下电流耦合,同时又降低了控制器对电网频率偏移的敏感度。最后在Matlab/Simulink仿真平台搭建了 MMC-HVDC柔性直流输电系统,验证了所提数学模型的正确性和控制策略的有效性。2.完成MMC-HVDC柔性直流输电的VSG控制系统设计。首先对传统同步电机物理模型中的调速器和励磁调压器进行了合理简化和本质提取,建立了 VSG控制数学模型并设计了基于矢量双闭环的VSG控制系统,包括整流模式的VSG和逆变模式的VSG。然后利用小扰动方法建立了有功环和无功环传递函数模型,并对整流站和逆变站的控制参数进行了设计分析。最后在Matlab/Simulink仿真平台对比了 MMC-HVDC柔性直流输电系统VSG控制和常规矢量控制的主要差异,从而体现了 MMC进行VSG控制的优越性,同时也验证了简化数学模型的正确性和VSG控制系统设计的有效性。3.完成多端MMC柔性直流输电的VSG协调控制,即具有VSG功能的直流电压协调控制。直流电压协调控制器分为高压控制器、低压控制器和虚拟同步电机算法模块三部分。当定直流电压站退出运行后,直流系统潮流平衡被打破,协调控制器会根据潮流情况触发不同的电压控制器,进而选择不同的有功电流输出,以保证系统的稳定运行。最后,在Matlab/Simulink中搭建了四端直流电网仿真模型,验证了协调控制器设计的有效性和正确性。


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