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基于MMC的多端直流输电系统控制方法研究

作　者: 胡静
导　师: 赵成勇
学　校: 华北电力大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 多端直流输电系统模块化多电平换流器控制方法双馈感应发电机组
分类号: TM721.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

多端直流输电(Multi-Terminal Direct Current, MTDC)系统,能够实现多电源供电以及多落点受电,相比于两端高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)系统运行更为经济灵活,在电网互联及新能源并网等方面优势明显。早期的MTDC系统都是采用电网换相换流器(Line Commutated Convertert, LCC),而LCC需要一定强度的交流系统支撑实现换相,还要消耗大量的无功功率,当MTDC系统用于连接可再生能源以及供电偏远地区或海岛等场合时,会存在诸如需配备大量无功补偿、容易发生换相失败、无法供电无源网络等问题,在一定程度上限制了MTDC的应用及优势发挥。20世纪90年代以后,以全控型开关器件为基础的电压源换流器型高压直流输电(Voltage Source Converter Based HVDC, VSC-HVDC,也称为柔性直流输电)由于具有有功无功独立调节,可向无源网络供电等优势而受到人们的重视并得到快速发展。而模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)作为最新一代的电压源换流器拓扑,因其开关损耗小,不依赖器件串联技术等优势,已成为VSC-HVDC工程的建设趋势。基于MMC的多端直流输电(Multi-Terminal Direct Current Based on MMC, MMC-MTDC)系统,既能够充分发挥MMC的技术优势,又兼顾了MTDC系统的经济性、灵活性和可靠性特点。相对于两端系统,MMC-MTDC系统在仿真建模和系统控制保护策略等方面更为复杂,许多关键问题也尚未得到合理解决。因此,论文针对MMC-MTDC系统的参数设计、仿真建模及多端协调控制保护策略进行了研究,能够为MMC-MTDC工程的实施提供一定的理论依据。(1) MMC-MTDC模型及基本控制策略为了研究基于MMC的多端直流输电系统,有必要先对MMC本身的运行原理及控制特性进行研究。基于MMC的运行工作原理,推导了适用于暂态分析的MMC的开关函数数学模型以及适用于控制分析的三端MMC-MTDC系统dq坐标下的数学模型。并基于dq解耦控制策略思想,分别设计了供电有源系统和供电无源系统的MMC的基本控制器,以及MMC调制策略和电容电压平衡控制策略,并通过仿真测试了控制器的稳态和动态响应特性。针对MMC中的关键器件之一桥臂电抗器,在MMC取整函数模型基础上,提出一种以抑制MMC交流侧电流大幅波动为目的的桥臂电抗器参数设计方法,为工程中桥臂电抗器的设计提供了一定的理论依据。仿真分析表明,PSCAD/EMTDC下的桥臂电抗仿真值与理论计算值非常吻合,桥臂电抗优化设计后的交流侧电流波动以及相间环流均有明显改善。(2)适用于MMC-MTDC系统的精确电压裕度控制策略研究多端站间协调控制是MTDC系统的核心。首先研究了主从控制、电压下降特性控制和电压裕度控制三种多端协调控制方法的控制原理,并针对MMC-MTDC系统分别设计了三种方法的控制器。其次,为避免直流输电线路较长时电压降落与线路损耗对电压裕度控制产生的影响,提出了一种精确电压裕度控制方法,并给出了精确电压裕度值选取公式,同时设计了精确电压裕度控制器。最后,在PSCAD/EMTDC环境中建立了基于MMC的三端系统仿真模型,在该模型下分别进行了一般电压裕度控制方法的运行特性分析和精确电压裕度控制法的仿真验证；并对MMC-MTDC系统发生直流电缆单极短路和双极短路故障后的故障特性进行仿真,提出了相应的控制保护策略。(3)含大规模风电接入的MMC-MTDC系统针对MMC-MTDC系统在大规模风电并网方面的应用,重点研究了含风电接入的MMC-MTDC系统的多端控制方法。首先,针对双馈感应发电机组(Double Fed Induction Generators, DFIG)建立了发电机数学模型以及风速及空气动力模型,并对双馈机组变流器的控制器进行了设计。然后,针对风电场功率波动幅度较大的特点,同时考虑到多端系统的电压控制效果,提出了一种阶段式电压下降控制方法,将电压下降控制同电压裕度控制有机结合,在风机出力的不同阶段采用不同的控制方式。最后,在PSCAD/EMTDC环境下,建立了与风电场连接的MMC-MTDC系统模型,对提出的阶段式电压下降控制方法的有效性进行了仿真分析。仿真结果表明,当风电场出力较大时,多端系统采用电压下降控制,能够较为灵活的平衡风机出力波动,当风电出力大幅跌落时,阶段性电压下降控制能够将换流站自动转换为直流电压控制,保证整个多端系统的直流电压不会出现较大偏离。(4)换流站通用集成控制保护平台体系结构MTDC系统中可基于LCC.两电平VSC、MMC或其他换流器拓扑,也可能同时含有多种换流器拓扑组成混合多端直流输电系统(Hybrid MTDC)。文中提出开发一种新型的适用于多种直流输电工程的换流站通用集成控制保护平台框架,可用于常规高压直流输电、VSC-HVDC以及混合直流输电等复杂输电形式的场合。首先提出了通用集成平台的整体功能需求和平台的设计原则,并从功能和设备两个角度出发,提出了该平台的两种体系结构方案,并阐述了平台每部分的控制保护设备、控制保护系统的功能和范围及各部分之间的隶属和通信关系。该体系框架可将不同种类直流输电的控制保护功能有效集成,为通用控制保护平台的开发奠定了基础。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-17
第1章绪论  17-34
  1.1 引言  17-18
  1.2 VSC-HVDC系统的发展概况  18-20
  1.3 MMC的技术特点和应用前景  20-23
    1.3.1 MMC的技术特点  20-22
    1.3.2 MMC的应用前景  22-23
  1.4 多端直流输电发展现状  23-27
  1.5 国内外研究现状及发展动态分析  27-32
    1.5.1 MMC-HVDC的研究现状  27-28
    1.5.2 VSC-MTDC建模与多端协调控制  28-30
    1.5.3 VSC-MTDC故障与保护  30-31
    1.5.4 VSC-MTDC在风电并网的应用  31-32
    1.5.5 控制保护系统  32
  1.6 课题研究内容  32-34
第2章 MMC-MTDC模型及基本控制策略  34-61
  2.1 MMC工作原理  34-37
  2.2 MMC-MTDC数学模型  37-42
    2.2.1 MMC开关函数模型  37-39
    2.2.2 MMC-MTDC的dq坐标模型  39-42
  2.3 MMC-MTDC基本控制及调制策略  42-48
    2.3.1 MMC控制策略  42-45
    2.3.2 MMC-MTDC系统基本控制器设计  45-46
    2.3.3 MMC调制方式  46-48
  2.4 MMC桥臂电抗器设计方法  48-52
    2.4.1 基于稳态运行范围的桥臂电抗器取值  48-49
    2.4.2 抑制动态电流波动的桥臂电抗器设计方法  49-52
  2.5 MMC-MTDC系统的仿真研究  52-59
    2.5.1 桥臂电抗器设计方法仿真分析  52-55
    2.5.2 三端MMC-MTDC控制器性能测试  55-59
  2.6 本章小结  59-61
第3章适用于MMC-MTDC系统的精确电压裕度控制方法研究  61-89
  3.1 多端站间协调控制方法  62-71
    3.1.1 主从控制  62-64
    3.1.2 电压下降特性控制  64-67
    3.1.3 电压裕度控制  67-71
  3.2 精确电压裕度控制  71-73
    3.2.1 精确电压裕度控制方法分析  71-72
    3.2.2 电压裕度值选取及控制器设计  72-73
  3.3 MMC-MTDC系统协调控制策略仿真分析  73-82
    3.3.1 电压裕度控制特性仿真  73-78
    3.3.2 精确电压裕度控制仿真  78-82
  3.4 MMC-MTDC系统直流线路故障仿真分析  82-87
    3.4.1 MMC-MTDC系统故障特性及控制保护策略  82-83
    3.4.2 MMC-MTDC直流线路单极接地故障  83-85
    3.4.3 MMC-MTDC系统双极短路故障  85-87
  3.5 本章小结  87-89
第4章含大规模风电接入的MMC-MTDC系统  89-108
  4.1 基于双馈感应发电机的风力发电系统  89-96
    4.1.1 风力发电机组简介  89-91
    4.1.2 双馈感应发电机组的运行原理及数学模型  91-94
    4.1.3 双馈风力发电机组的控制策略  94-96
  4.2 含风电场接入的MMC-MTDC系统控制方法  96-100
    4.2.1 阶段式电压下降控制策略  96-99
    4.2.2 考虑风电接入的MMC-MTDC控制器设计  99-100
  4.3 含风电接入的MMC-MTDC系统仿真  100-107
    4.3.1 系统模型  100-102
    4.3.2 风电场功率特性仿真分析  102-104
    4.3.3 阶段式电压下降控制方法仿真验证  104-107
  4.4 本章小结  107-108
第5章换流站通用集成控制保护平台体系结构  108-122
  5.1 换流站控制保护系统  108-111
  5.2 平台功能需求分析  111-113
    5.2.1 常规HVDC功能需求  111-112
    5.2.2 VSC-HVDC(含MMC)的功能需求  112-113
  5.3 通用控制保护平台设计原则  113-114
  5.4 通用控制保护平台分层结构方案  114-118
    5.4.1 按功能进行系统划分  114-117
    5.4.2 按设备进行层次划分  117-118
  5.5 模块化的控制保护功能配置方案研究  118-121
    5.5.1 常规HVDC功能模块化方案  118-120
    5.5.2 VSC-HVDC功能模块化方案  120-121
  5.6 本章小结  121-122
第6章结论与展望  122-125
  6.1 全文工作成果及结论  122-123
  6.2 后续工作展望  123-125
参考文献  125-136
附录A GB3956-电缆的导体节选  136-137
附录B ±200kV直流海陆缆参数  137-139
致谢  139-140
攻读博士学位期间发表的学术文章  140-142
攻读博士学位期间参加的科研工作  142-143
作者简介  143

基于MMC的多端直流输电系统控制方法研究

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