【摘要】：目前,我國(guó)正處于能源革命的初始階段,其目標(biāo)是建設(shè)清潔低碳、安全高效、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代能源體系�；谀K化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性直流電網(wǎng)具有眾多優(yōu)點(diǎn),在安全、高效消納大規(guī)�？稍偕茉窗l(fā)電的場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景,是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。然而,相對(duì)于交流系統(tǒng),柔性直流電網(wǎng)是一種新型電力系統(tǒng),其規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、調(diào)度等還沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)。為此,本文以MMC型柔性直流電網(wǎng)為研究對(duì)象,重點(diǎn)研究直流電網(wǎng)的建模、分析與控制相關(guān)問(wèn)題。主要工作如下:(1)MMC的完整解析數(shù)學(xué)模型及其穩(wěn)態(tài)特性換流器的數(shù)學(xué)模型是柔性直流電網(wǎng)的關(guān)鍵性問(wèn)題之一,因?yàn)檫@是所有相關(guān)研究工作的基礎(chǔ),也是進(jìn)行建模、分析和控制的第一步。首先,明確了MMC數(shù)學(xué)模型的輸入輸出結(jié)構(gòu)。其次,基于平均開(kāi)關(guān)函數(shù)建立了 MMC的微分方程模型,該模型是描述MMC交直流側(cè)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)性方程。然后,基于MMC的微分方程模型,采用逐次逼近法推導(dǎo)出了MMC的完整解析數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)過(guò)程分成三步:第一步,設(shè)定橋臂電壓為理想階梯波,根據(jù)MMC微分方程模型,推導(dǎo)MMC各電氣量的初始解;第二步,根據(jù)橋臂電壓與子模塊電容電壓的關(guān)系,推導(dǎo)出考慮子模塊電容電壓波動(dòng)時(shí)的橋臂電壓新的表達(dá)式;第三步,為了加快迭代過(guò)程的收斂速度,橋臂電流的基波及二次諧波采用相應(yīng)的修正表達(dá)式,高次諧波仍然采用已得到的結(jié)果,根據(jù)MMC微分方程模型繼續(xù)推導(dǎo)其他電氣量的解析表達(dá)式。最后,仿真結(jié)果驗(yàn)證了完整解析數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。(2)MMC型直流電網(wǎng)的主電路參數(shù)分析與選取主電路參數(shù)選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分,合理的主電路參數(shù)可以有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,降低系統(tǒng)的初始投資及運(yùn)行成本,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。首先,基于MMC的基本等值電路,提出了連接變壓器閥側(cè)空載額定電壓的確定方法。其次,引入等容量放電時(shí)間常數(shù)的概念,發(fā)現(xiàn)電容電壓波動(dòng)率與等容量放電時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系基本不隨具體工程而變,即具有跨工程的普遍適用性,因而可以一般性地給出子模塊的電容參數(shù)。接著,基于MMC的解析數(shù)學(xué)模型考察了四種極端工況下子模塊功率器件所承受的電壓和電流水平,發(fā)現(xiàn)子模塊功率器件的負(fù)載水平會(huì)隨運(yùn)行工況的改變而發(fā)生巨大變化。然后,引入二倍頻環(huán)流諧振角頻率和相單元串聯(lián)諧振角頻率的概念,提出了橋臂電抗器參數(shù)的取值原則。最后,基于抑制故障電流上升率和不引發(fā)換流器閉鎖兩個(gè)因素,給出了平波電抗器參數(shù)的選取方法。(3)MMC型直流電網(wǎng)的啟動(dòng)控制策略MMC各相橋臂的子模塊中包含大量的儲(chǔ)能電容,換流器在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作方式之前,必須采用合適的啟動(dòng)控制來(lái)對(duì)這些子模塊儲(chǔ)能電容進(jìn)行預(yù)充電。系統(tǒng)整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程可以分為不可控充電階段和可控充電階段。在不控充電階段,分析了 MMC交流側(cè)接有源系統(tǒng)和接無(wú)源系統(tǒng)時(shí)的充電特性,表明每種系統(tǒng)都有相應(yīng)的最大充電率。在可控充電階段,提出了兩種可以繼續(xù)提升子模塊電容電壓的方法,分別是直流電壓斜率控制和子模塊有序解鎖控制,并分析了不同控制策略下的充電特性。通過(guò)所提出的啟動(dòng)控制策略,系統(tǒng)可以從不帶電狀態(tài)平滑過(guò)渡到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。(4)MMC型直流電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)控制策略穩(wěn)態(tài)控制策略直接決定了 MMC型直流電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)性能,因此有必要研究適用于MMC型直流電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)控制策略。首先,系統(tǒng)介紹了MMC型直流電網(wǎng)的三種控制策略,分別是主從控制策略、直流電壓下垂控制策略和帶直流電壓下垂的主從控制策略。其次,為了維持系統(tǒng)直流電壓的穩(wěn)定,提出了柔性直流電網(wǎng)的二次調(diào)壓控制,表明采用二次調(diào)壓控制之后,電壓基準(zhǔn)站的直流電壓能夠維持在基準(zhǔn)值上,且全網(wǎng)的功率波動(dòng)可以由所設(shè)定的多個(gè)換流站共同消納。(5)MMC型直流電網(wǎng)的故障特性分析研究柔性直流電網(wǎng)的故障特性及其在不同故障處理策略下的響應(yīng)特性,有助于理解故障機(jī)理和故障發(fā)展過(guò)程,并為后續(xù)設(shè)計(jì)適用于直流電網(wǎng)的直流故障處理策略提供理論基礎(chǔ)。首先,針對(duì)MMC閉鎖前和閉鎖后電路特性,分別得到了閉鎖前后MMC的基本等效電路。其次,采用運(yùn)算電路法,將時(shí)域中的暫態(tài)電路轉(zhuǎn)化成復(fù)頻域下的穩(wěn)態(tài)電路,進(jìn)而求解出了故障電流的解析表達(dá)式。然后,根據(jù)直流故障的三種不同處理策略,推導(dǎo)了相應(yīng)的故障電流解析表達(dá)式,并對(duì)比分析了不同處理策略對(duì)系統(tǒng)的影響。(6)MMC型直流電網(wǎng)的直流故障處理策略直流故障的快速隔離技術(shù)是制約直流電網(wǎng)發(fā)展的最重要技術(shù)瓶頸。首先,根據(jù)故障處理方式不同,從理論上論述了直流電流開(kāi)斷的兩條基本途徑,分別是串入無(wú)窮大電阻斷流法和串入電容器改變直流故障電流性質(zhì)法。其次,介紹了基于串入無(wú)窮大電阻斷流法的直流斷路器實(shí)現(xiàn)方案。然后,針對(duì)基于串入電容器改變直流故障電流性質(zhì)法,提出了三種原理上可行的直流斷路器拓?fù)?并對(duì)比分析了這幾種直流斷路器的經(jīng)濟(jì)性。最后,針對(duì)高壓直流斷路器供電困難的問(wèn)題,提出了無(wú)需外部輔助電源的自供電控制策略。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM721.1
【圖文】：

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文邐第２章ＭＭＣ的完整解析數(shù)學(xué)模型及其穩(wěn)態(tài)特性逡逑式中，左＝１，２，３．．．為正整數(shù)（本節(jié)公式推導(dǎo)中用到的６都取正整數(shù)）；｝＾邋＝辦＼＾，逡逑Ａ邋為諧波次數(shù)；／（ｈ）＝文邋ｃｏｓ邋（叫），式中，ｓ邋＝邋ｍｉｎ（邋ｒｏｕｎｄ（邋ｔ／ｖｒｅｆ邋／邋ｔ／ｃ），邋ＡＶ２邋）表示第逡逑／＝１逡逑一個(gè)１／４周期內(nèi)電平躍變的總次數(shù)，運(yùn)算符ｒ0Ｕｎｄ（ｘ）表示取與ｘ最接近的整數(shù)；逡逑久＝ａｒｃｓｉｎ（邋（／邋－邋０．５邋）邋？７Ｃ邋／邋Ｌ／ｖｒｅｆ）表示第ｆ次電平躍變所對(duì)應(yīng)的電角度。逡逑“

（ａ）波形圖邐（ｂ）諧波分布圖逡逑圖２－１１子模塊電容電流集合平均值波形逡逑２．７．４相環(huán)流逡逑相環(huán)流的波形如圖２－１２（ａ）所示，從圖中可以看出，解析計(jì)算波形與仿真波逡逑形吻合。相環(huán)流的諧波幅值分布如圖２－１２邋（ｂ）所示，可以看出，相環(huán)流主要為偶逡逑數(shù)次諧波（直流分量在這里沒(méi)有畫(huà)出），除直流分量外，二次諧波分量最大，其逡逑他次諧波分量非常小。逡逑

圖２－１７點(diǎn)Ｅｐａ和點(diǎn)Ｅｎａ之間電位差逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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2 孟新涵;李可軍;王卓迪;霍雪松;吳海偉;張明;;混合型MMC拓?fù)浼皯?yīng)用于MTDC直流故障穿越能力分析[J];電力系統(tǒng)自動(dòng)化;2015年24期

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本文編號(hào)：2782106