發(fā)布時間：2020-03-27 13:32

【摘要】：憑借較低的構(gòu)建成本、較高的運行效率和良好的直流短路故障穿越能力,全橋-半橋混合型模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)已初步成為未來柔性直流輸電工程的重要選擇。同時,混合型MMC通過提高交流側(cè)電壓來提升換流器傳輸容量的潛力以及其低直流電壓持續(xù)運行能力也受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。當(dāng)混合型MMC運行于極對極短路故障、極對地短路故障、交流提壓或直流降壓場合時,橋臂間工作的不對稱性和不同類型模塊間工作的差異性會導(dǎo)致橋臂間以及橋臂內(nèi)部不同類型的子模塊間出現(xiàn)能量不均衡問題。然而,目前關(guān)于上述問題的研究不多,且已有的研究缺乏對問題機理的深刻認識。針對上述不足,本文重點探索不均衡問題發(fā)生的機理和表現(xiàn)形式,進而提出改進控制策略。具體內(nèi)容包括:(1)研究了正常穩(wěn)態(tài)下直接調(diào)制的全橋-半橋1:1混合型MMC內(nèi)部能量均衡機理,并分析了環(huán)流抑制器對上述機理的影響。通過對內(nèi)部環(huán)流的基頻和直流分量列寫等效電路,指出MMC可通過調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)流中的基頻分量來自動實現(xiàn)橋臂間能量的均衡,通過調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)流的直流分量來自動實現(xiàn)相間能量的均衡。在橋臂間和相間能量均衡的基礎(chǔ)上,當(dāng)直流側(cè)電壓穩(wěn)定時,換流器總能量平衡。當(dāng)加入二倍頻環(huán)流抑制器時,比例參數(shù)K_P對內(nèi)部環(huán)流中的直流分量和基頻分量均起阻尼作用,進而會加快橋臂間和相間能量均衡的速度。(2)研究了極對極短路故障穿越下直接調(diào)制的全橋-半橋1:1混合型MMC橋臂間能量難以均衡的問題,并提出利用環(huán)流抑制器施加有源阻尼的改善方案;進一步提出故障期間半橋子模塊的充電控制方案。當(dāng)換流器開始穿越后,每相投入的電容、橋臂上阻抗和線路阻抗對檢測延時階段的電容放電電流構(gòu)成變系數(shù)的二階振蕩電路,導(dǎo)致橋臂間能量難以均衡。考慮到故障期間直流側(cè)電流穩(wěn)態(tài)值為零,提出利用環(huán)流抑制器施加有源阻尼的方案。利用零直流電壓下,全橋等效模塊和半橋等效模塊輸出電壓組合的冗余,提出可實現(xiàn)故障期間半橋子模塊電容充電控制的改進穿越方案。相比傳統(tǒng)的基于半橋子模塊旁路的穿越方案,所提方案使換流器能更好的穿越長期故障。(3)研究了極對地短路故障穿越下直接調(diào)制的全橋-半橋1:1混合型MMC橋臂間能量不均衡問題的機理和送端故障極橋臂中的半橋子模塊無法充電問題的機理,并提出了改進控制。發(fā)現(xiàn)直接調(diào)制的混合型MMC在穿越極對地短路故障時,換流器內(nèi)部會激發(fā)出基頻環(huán)流來維持橋臂電容電壓的穩(wěn)定;進一步指出環(huán)流抑制器的K_P參數(shù)和橋臂阻抗對上述環(huán)流的阻尼會造成上、下橋臂間能量不均衡:正常極橋臂電容電壓會維持在額定值附近,而故障極橋臂電容電壓會偏離額定值�；谏鲜龇治�,提出一種基于基頻環(huán)流前饋補償?shù)臉虮坶g能量均衡控制方案。同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)送端換流器工作于較高功率因數(shù)時,會出現(xiàn)故障極橋臂電流始終為負值的現(xiàn)象,半橋子模塊的無法充電及子模塊上的損耗導(dǎo)致混合型MMC無法穿越長期極對地短路故障。為此,提出基于基頻無功環(huán)流注入以及全橋子模塊和半橋子模塊協(xié)調(diào)參與的改進穿越方案。相比傳統(tǒng)方案,所提方案可在不犧牲功率因數(shù)的情況下,實現(xiàn)故障極半橋子模塊電容的快速和準確的充電,使混合型MMC具備可靠穿越長期極對地短路故障的能力。(4)研究了交流提壓和直流降壓場合下混合型MMC內(nèi)部潛在的全橋子模塊和半橋子模塊電容電壓不均衡問題,并提出基于基頻無功環(huán)流注入的均壓改善方案。首先通過對一個基頻周期內(nèi)全橋和半橋子模塊的充、放電過程分析,總結(jié)及推導(dǎo)出全橋和半橋子模塊電容電壓不均衡問題發(fā)生的機理及邊界條件。進一步歸納出調(diào)制系數(shù)、功率因數(shù)和全橋配比三個主要因素,并分析了其對子模塊電容電壓不均衡問題的影響。最后,提出基于基頻無功環(huán)流注入的解決方案。相比傳統(tǒng)方案,所提的方案不需要降低功率因數(shù),或提高全橋子模塊配比,或改變換流器上、下橋臂對稱的拓撲。(5)搭建了基于三相全橋型MMC的實驗平臺,完成了穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)實驗、極對地短路故障穿越穩(wěn)態(tài)實驗和高調(diào)制系數(shù)下的運行實驗。實驗結(jié)果驗證了極對地短路故障穿越下橋臂間能量不均衡問題和高調(diào)制系數(shù)運行下電容電壓不均衡問題機理分析的合理性,以及所提改進控制策略的有效性。
【圖文】：

（2）開關(guān)損耗高。兩電平和三電平換流器采用脈寬調(diào)制策略（Pulse WidthModulation,PWM），為具備較好輸出電壓及輸出電流性能，器件開關(guān)頻率通常達到1-2kHz。較高的開關(guān)頻率增加了系統(tǒng)的開關(guān)損耗，一般基于兩電平換流器的系統(tǒng)平均損耗約為其額定功率的3%，基于三電平換流器的系統(tǒng)平均損耗約為額定功率的1.7%，而傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)平均損耗小于額定功率的1%。模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是德國MarquardtRainer教授于2001年提出的新型換流器[21]-[23]。相比兩電平及三電平換流器，MMC采用子模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，從根源上解決了半導(dǎo)體器件均壓難題。同時，具有開關(guān)損耗小、對濾波器要求低及利于設(shè)計、生產(chǎn)、安裝及調(diào)試等優(yōu)點。自2010年以來，世界上新建的柔性直流工程（如表1-1所示）多采用MMC拓撲結(jié)構(gòu)。目前，我國柔性直流輸電技術(shù)已走向世界前列。未來我國柔性直流輸電將朝向高電壓、大容量及遠距離方向發(fā)展，如圖 1.1 所示[24]。

清除直流短路故障的方法主要有以下三種[27]-[33]：（1）交流側(cè)斷路器利用交流側(cè)斷路器隔斷故障電流是目前在投運的VSC-HVDC工程中清除直流路故障電流的唯一可行方法。但是，，交流斷路器屬于機械開關(guān)，其響應(yīng)速度慢，最動作時間也要2~3個周波[31]。在該動作時間內(nèi)，為避免換流器開關(guān)器件發(fā)生過壓或過流，需采用提高器件參數(shù)、增大橋臂電抗或者配置快速旁路開關(guān)等輔助措施，這增加換流器的體積和成本。同時，故障清除后，系統(tǒng)重啟時配合動作時序復(fù)雜、恢時間較長，一般需要數(shù)十秒[25]。在子模塊兩端反并聯(lián)晶閘管[25],[32]，可以保護模塊的續(xù)流二極管，但是該技術(shù)不能清除直流故障電流。（2）直流側(cè)斷路器相比于高壓交流斷路器，直流斷路器的研制存在如下技術(shù)難點：1）直流電流過零點；2）直流故障電流上升速度快、幅值大；3）短路故障時，直流電容器和平
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM721.1

【參考文獻】

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本文編號：2603024