本文選題：模塊化多電平換流器　切入點：電磁暫態(tài)高效建模　出處：《華北電力大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：模塊化多電平換流器高壓直流輸電(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current, MMC-HVDC)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢,已成為未來電壓源換流器高壓直流輸電(Voltage Source Converter based HVDC, VSC-HVDC)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,將在我國電力系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。與兩電平、三電平VSC-HVDC在電磁暫態(tài)(Electromagnetic Transient, EMT)仿真中采用單個器件代表整個換流閥不同,高電壓、大功率的MMC-HVDC在電磁暫態(tài)仿真中必須單獨仿真超大數(shù)量的開關(guān)器件,導(dǎo)致仿真速度非常緩慢,使得MMC-HVDC一次電路參數(shù)選取及控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化變得非常困難,很大地阻礙了高電平MMC-HVDC的研究進展及工程化應(yīng)用。因此,深入分析MMC-HVDC的運行特性,研究開發(fā)在保證其系統(tǒng)仿真精度的前提下的高效建模方法,具有重大的理論及工程意義。論文針對模塊化多電平換流器電磁暫態(tài)高效建模方法進行全面深入的基礎(chǔ)研究。 1) MMC-HVDC拓撲機制及運行特性研究 為了研究MMC-HVDC的電磁暫態(tài)高效建模方法,首先分析了MMC的通用拓撲結(jié)構(gòu)及三種常見子模塊,也即半橋型子模塊(Half-Bridge Sub-module, HBSM)、雙箝位型子模塊(Clamp-double Sub-module, CDSM)和全橋型子模塊(Full-Bridge Sub-module, FBSM)的拓撲結(jié)構(gòu)和工作模式。其次從理論上證明了不同子模塊結(jié)構(gòu)的MMC均適用傳統(tǒng)同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的站級解耦控制策略,并推導(dǎo)了該策略在MMC中的具體表達式。進而分別介紹了傳統(tǒng)的基于最近電平逼近控制(Nearest Level Control, NLC)和載波移相正弦脈寬調(diào)制(Carrier Phase Shifted Sinusoidal Pulse Width Modulation, CPS-SPWM)的MMC調(diào)制和電容電壓平衡控制策略。 基于上述MMC站級解耦控制及調(diào)制均壓策略,不同子模塊結(jié)構(gòu)的MMC均可以構(gòu)造閉環(huán)MMC型VSC-HVDC系統(tǒng)。三種MMC子模塊的最大區(qū)別在于切斷雙極直流短路故障引起的短路電流的能力不同,為了精確評估不同結(jié)構(gòu)MMC切斷直流故障電流的能力,提出了MMC-HVDC的直流故障穿越能力指標(DCFaults Ride-through Capability Index, DFRTI)。仿真結(jié)果表明,在相同的系統(tǒng)參數(shù)下, DFRTI(FBSM) DFRTI(CDSM)DFRTI(HBSM).以采用FBSM的3端MMC-HVDC為例,提出了具備直流故障穿越能力的多端MMC-HVDC (Multi-terminal MMC-HVDC, MMC-MTDC)系統(tǒng)的直流故障線路定位和隔離以及快速功率恢復(fù)的控制策略,PSCAD/EMTDC下的仿真驗證了所提出控制策略的正確性和有效性。 2)基于受控源的MMC通用建模方法研究. 在仿真超大規(guī)模MMC所包含的大量子模塊的開關(guān)器件時,PSCAD/EMTDC等電磁暫態(tài)仿真軟件需要不斷地對超高階導(dǎo)納矩陣求逆,這是其在電磁暫態(tài)仿真中速度非常緩慢的本質(zhì)原因。因此,全部MMC的仿真提速模型都需要在保證仿真精度的前提下對高階導(dǎo)納矩陣進行降階求解。 根據(jù)節(jié)點電壓分析法,提出了基于受控源的MMC電磁暫態(tài)仿真提速模型,其本質(zhì)為將求解MMC的每個橋臂所對應(yīng)的超高階矩陣轉(zhuǎn)化為求解與橋臂內(nèi)子模塊數(shù)目相同的小矩陣,并使其與原有矩陣同解。因此,所提出的MMC模型可以在顯著提升仿真速度的同時,精確等效MMC的外特性以及子模塊的電容電壓充放電過程等內(nèi)部特性。所提出的模型完全采用電磁暫態(tài)仿真平臺模型庫中的已有元件,無需用戶自定義；同時,采用節(jié)點電壓法證明了該模型與原有詳細模型同解,且由證明過程的一般性可知,所提出模型不僅適用于三種常見MMC在PSCAD/EMTDC下的仿真,對其余MMC結(jié)構(gòu)以及諸如MATLAB/SIMULINK等電磁暫態(tài)仿真平臺都具有很強的通用性。在PSCAD/EMTDC中搭建的不同電平數(shù)半橋型MMC模型驗證了所提出模型的仿真精度及提速效果。 3)基于戴維南等效的MMC整體建模方法研究 在上述基于受控源的MMC通用仿真提速模型中,由于不需要用戶自定義,模型中所采用的開關(guān)元件與詳細模型完全相同,因此其必須與詳細模型(Detailed Model, DM)采用完全相同的調(diào)制及電容電壓平衡控制方法。然而,MMC-HVDC不同于兩電平、三電平VSC-HVDC的一個顯著特點是復(fù)雜的調(diào)制及電容電壓平衡控制算法,仿真表明,控制算法的復(fù)雜度已成為制約MMC的電磁暫態(tài)仿真效率的重要因素。因此,有必要以用戶自定義的形式開發(fā)MMC等效模型,并提出一種計算效率較高的MMC子模塊電容均壓算法。 分別以基于HBSM和FBSM的MMC為例,采用后退歐拉法(Backward Euler Method)將每個子模塊的電容離散化為戴維南電壓源和電阻的串聯(lián),并假設(shè)子模塊中的開關(guān)器件在斷開狀態(tài)時為理想器件(即無窮大電阻),因此在對MMC一次電路求解時的計算量得到大大簡化。同時,由于采用后退歐拉法,每個子模塊電容電壓的瞬時值只取決于子模塊當前步長的投切狀態(tài)。基于上述假設(shè),提出了一種計算復(fù)雜度與橋臂子模塊個數(shù)相同的MMC高效排序均壓方法,并介紹了所提出MMC整體建模的閉鎖功能實現(xiàn)方法,使其具備仿真換流器的啟動與直流故障閉鎖等功能。上述換流器及均壓算法的整體建模,使MMC的計算復(fù)雜度隨電平數(shù)線性變化。仿真驗證表明,所提出的MMC模型及排序均壓算法均具有極高的仿真精度并在上千電平時與MMC平均值模型(Averaged-value Model, AVM)的仿真效率具有可比性。最后,將所提出的整體建模方法應(yīng)用到了全橋型MMC中并進行了仿真驗證。 4)MMC平均值模型在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用研究 在前述兩類MMC模型中,子模塊電容充放電特性得以精確體現(xiàn),因此其外部特性與MMC詳細模型完全相同。然而,MMC的平均值模型分別采用受控電壓源與電流源來等效MMC詳細模型的交、直流側(cè),且采用平均化技術(shù),只有一個直流側(cè)等效電容,因此其無法仿真詳細模型內(nèi)部每個子模塊的充放電特性,一般用于多端直流電網(wǎng)的系統(tǒng)級高效仿真。由于MMC詳細模型的非線性運行特性非常復(fù)雜,而平均值模型對其進行了很大的簡化,因此分析研究平均值模型的適用性是很有意義的。 以采用MMC詳細模型搭建的4端直流電網(wǎng)為基準,對比發(fā)現(xiàn)平均值模型有效的前提是相對應(yīng)的詳細模型中的子模塊電容值足夠大,以使其全部電容電壓幾乎恒定。同時,分析發(fā)現(xiàn)不同的MMC調(diào)制及均壓算法對平均值模型的適用性無明顯影響,但使用平均值模型所帶來的加速比卻隨著調(diào)制均壓算法的計算復(fù)雜度而上升。同時,原有平均值模型無法精確仿真直流故障特性及換流器閉鎖等多端直流電網(wǎng)仿真中的必備功能。為了彌補這一不足,提出了改進平均值模型拓撲,仿真表明其可以滿足直流電網(wǎng)的各種仿真需求。雖然本文以半橋型MMC平均值模型為例,但是所提出的平均值模型適用性分析方法和拓撲改進措施對另外兩種MMC平均值模型也具有理論指導(dǎo)意義。
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【學位授予單位】：華北電力大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM721.1

【參考文獻】

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本文編號：1642786