發(fā)布時間：2017-04-28 04:08

  本文關(guān)鍵詞：模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)控制保護策略研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)是一種新型電壓源換流器拓撲結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的2電平或3電平拓撲,基于MMC的高壓直流輸電(HighVoltage Direct Current, HVDC)系統(tǒng)因其開關(guān)損耗小、易于擴展、不依賴器件串聯(lián)技術(shù)等優(yōu)勢,已成為電壓源換流器型高壓直流輸電(Voltage Source Converter Based HVDC, VSC-HVDC)工程的建設(shè)趨勢。 MMC-HVDC系統(tǒng)控制保護策略的研究直接關(guān)系到MMC-HVDC輸電系統(tǒng)的可靠性能及安全性能,具有明顯的工程應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。本文采用理論分析和仿真驗證相結(jié)合的研究手段,重點研究了MMC-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制、故障控制、保護策略及其相關(guān)技術(shù)。 (1)MMC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學模型 為了研究MMC-HVDC系統(tǒng)的控制保護策略,建立了理想條件下和交流系統(tǒng)電網(wǎng)電壓不平衡條件下MMC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學模型�；贛MC的運行工作原理,推導(dǎo)了理想條件下適用于暫態(tài)分析的MMC的開關(guān)函數(shù)數(shù)學模型和適用于穩(wěn)態(tài)分析的低頻動態(tài)數(shù)學模型。在此基礎(chǔ)上,利用瞬時對稱分量理論和同步旋轉(zhuǎn)坐標關(guān)系,建立了交流系統(tǒng)電網(wǎng)電壓不平衡時MMC的低頻動態(tài)數(shù)學模型。并對這兩種情況下MMC交、直流兩側(cè)的有功平衡關(guān)系進行了分析。數(shù)學模型的建立和功率平衡關(guān)系的分析是設(shè)計MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 (2)MMC-HVDC系統(tǒng)控制保護體系框架 控制保護系統(tǒng)是MMC-HVDC系統(tǒng)的核心之一,為了自上而下開展MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)設(shè)計,構(gòu)建了MMC-HVDC系統(tǒng)控制保護體系框架。首先闡述了MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)的設(shè)計原則和主要功能,指出采用冗余配置和分層設(shè)計的必要性,其次在搭建了MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了直流控制保護系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案,建立了四層結(jié)構(gòu)的MMC-HVDC控制保護體系框架,即直流系統(tǒng)控制層、極控制保護層、閥控層、子模塊控制保護單元,并進一步明晰了各控制層的控制功能及各層相互關(guān)系,為直流控制保護系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 (3)(?)MMC-HVDC系統(tǒng)閥控層控制策略研究 從MMC-HVDC系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)出發(fā),重點研究了MMC-HVDC系統(tǒng)閥控層的MMC內(nèi)部環(huán)流抑制、MMC調(diào)制及子模塊電容電壓平衡控制策略。為了抑制MMC內(nèi)部環(huán)流,在MMC內(nèi)部數(shù)學模型的基礎(chǔ)上,采用二倍頻負序旋轉(zhuǎn)坐標變換和歐拉近似公式,設(shè)計了基于離散模型的環(huán)流抑制控制器(Circulating Current Suppressing Controller, CCSC),消除了橋臂電流的環(huán)流分量,減少了橋臂電流的畸變程度和電容電壓的波動幅度。針對MMC的調(diào)制策略,重點介紹了最近電平逼近調(diào)制(Nearest Level Modulation,NLM)策略和載波移相調(diào)制(Carrier Phase Shifted Sinusoidal Pulse Width Modulation, CPS-SPWM)策略的原理及實現(xiàn)。為了均衡MMC各個子模塊的電容電壓,對傳統(tǒng)排序法進行了改進,通過排序前引入不同的保持系數(shù),改善了子模塊頻繁投切的狀況,有效地降低了開關(guān)器件的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗。最后在PSCAD/EMTDC環(huán)境下仿真驗證了所提出控制策略的有效性。 (4)MMC-HVDC系統(tǒng)極控層控制策略研究 極控層是MMC-HVDC系統(tǒng)的核心控制層,重點研究了理想情況下MMC-HVDC系統(tǒng)極控制層的控制策略。針對串級PI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)困難、穩(wěn)定工作區(qū)域小等缺點,將PWM整流控制領(lǐng)域中的無源控制理論應(yīng)用于MMC-HVDC的控制器設(shè)計�；贛MC的無源性和歐拉-拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)數(shù)學模型,通過阻尼注入方法,提出了由狀態(tài)期望穩(wěn)定平衡點、狀態(tài)及狀態(tài)誤差設(shè)計無源控制規(guī)律的新方法,設(shè)計了內(nèi)環(huán)電流無源控制器,實現(xiàn)了MMC-HVDC有功功率和無功功率的解耦控制。基于廣泛應(yīng)用于計算機控制中的離散控制,建立了旋轉(zhuǎn)坐標系下MMC離散數(shù)學模型,設(shè)計了內(nèi)環(huán)電流離散控制器。為了補償離散控制的延時,設(shè)計了基于Smith預(yù)估器的內(nèi)環(huán)電流離散控制器,改善了系統(tǒng)的暫態(tài)性能。最后對向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)控制器進行了設(shè)計,并在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對上述提出的控制策略進行了驗證,仿真結(jié)果表明,所提出的控制策略具有良好的動穩(wěn)態(tài)控制性能,便于工程實際應(yīng)用。 (5)交流系統(tǒng)故障時MMC-HVDC控制保護策略研究 MMC-HVDC交流系統(tǒng)故障時的控制保護策略是MMC-HVDC安全、經(jīng)濟運行的保障。將MMC-HVDC系統(tǒng)的控制策略研究從理想情況過渡到交流系統(tǒng)發(fā)生故障的運行工況下,研究了交流系統(tǒng)故障時MMC-HVDC系統(tǒng)的控制保護策略。首先分析了MMC-HVDC系統(tǒng)交流系統(tǒng)故障時的故障特征,以抑制負序電流為目標,設(shè)計了基于MMC歐拉-拉格朗日模型的正負序無源控制器,抑制了不對稱故障引起的負序電流,仿真表明無源控制器具有良好的控制性能和限流能力。其次分析了MMC-HVDC系統(tǒng)兩側(cè)交流系統(tǒng)分別發(fā)生故障時對MMC直流電壓控制的影響,并提出了相應(yīng)的控制保護對策。仿真結(jié)果表明,設(shè)計的含直流電壓控制環(huán)節(jié)的外環(huán)有功功率控制器和保護策略能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓的控制和限流,提高了MMC-HVDC系統(tǒng)的持續(xù)運行能力及安全性。最后針對向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)交流系統(tǒng)故障時的故障特性,提出了故障時的正負序無源控制策略及保護策略。最后在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對所提出控制保護策略的有效性進行了仿真驗證。
【關(guān)鍵詞】：模塊化多電平換流器 高壓直流輸電 電容電壓平衡 環(huán)流抑制 歐拉-拉格朗日數(shù)學模型 無源控制 離散控制 控制保護策略
【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
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第1章 緒論17-33
• 1.1 課題的研究背景和意義17-18
• 1.2 電壓源型直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展概況18-20
• 1.3 MMC-HVDC輸電系統(tǒng)的運行原理20-23
• 1.3.1 MMC-HVDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)20-21
• 1.3.2 MMC-HVDC的基本工作原理21-23
• 1.4 MMC-HVDC的技術(shù)特點和應(yīng)用前景23-26
• 1.4.1 MMC-HVDC的技術(shù)特點23-24
• 1.4.2 MMC-HVDC的應(yīng)用前景24-26
• 1.5 MMC-HVDC的研究現(xiàn)狀及展望26-30
• 1.5.1 MMC-HVDC的拓撲結(jié)構(gòu)26-27
• 1.5.2 MMC-HVDC數(shù)學建模與仿真27
• 1.5.3 MMC-HVDC調(diào)制和啟動控制策略27-28
• 1.5.4 MMC的環(huán)流抑制和子模塊均壓控制28-29
• 1.5.5 MMC-HVDC控制與保護29-30
• 1.5.6 MMC-HVDC的研究展望30
• 1.6 課題研究內(nèi)容30-33
• 第2章 MMC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學模型33-49
• 2.1 引言33
• 2.2 交流系統(tǒng)電網(wǎng)電壓平衡時MMC-HVDC的數(shù)學模型33-44
• 2.2.1 MMC運行特性分析33-37
• 2.2.2 MMC開關(guān)函數(shù)模型37-38
• 2.2.3 三相靜止坐標系下MMC的數(shù)學模型38-41
• 2.2.4 dq旋轉(zhuǎn)坐標系下MMC的數(shù)學模型41-42
• 2.2.5 MMC-HVDC的功率分析和穩(wěn)態(tài)運行范圍42-44
• 2.3 交流系統(tǒng)電網(wǎng)電壓不平衡時MMC-HVDC的數(shù)學模型44-48
• 2.3.1 不對稱三相量的瞬時對稱分量表達式44-45
• 2.3.2 dq旋轉(zhuǎn)坐標系下MMC的數(shù)學模型45-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 第3章 MMC-HVDC系統(tǒng)控制保護體系框架49-65
• 3.1 引言49-50
• 3.2 MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)50
• 3.3 MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)的設(shè)計原則和基本要求50-52
• 3.3.1 設(shè)計原則50-51
• 3.3.2 控制保護系統(tǒng)的基本要求51-52
• 3.4 MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)的主要功能52-53
• 3.5 MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)53-57
• 3.6 MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)57-63
• 3.6.1 直流系統(tǒng)控制層58-59
• 3.6.2 極控制保護層59-61
• 3.6.3 閥組控制層61-63
• 3.6.4 功率子模塊控制保護單元63
• 3.7 本章小結(jié)63-65
• 第4章 MMC-HVDC系統(tǒng)閥控制層控制策略研究65-80
• 4.1 引言65
• 4.2 MMC-HVDC系統(tǒng)的環(huán)流控制65-71
• 4.2.1 MMC的環(huán)流分析65-66
• 4.2.2 MMC環(huán)流抑制原理66-68
• 4.2.3 MMC環(huán)流抑制控制器設(shè)計68-69
• 4.2.4 仿真驗證和分析69-71
• 4.3 MMC-HVDC系統(tǒng)的調(diào)制策略71-75
• 4.3.1 MMC的調(diào)制方式71-72
• 4.3.2 最近電平逼近調(diào)制原理72-73
• 4.3.3 載波移相正弦脈寬調(diào)制原理73-75
• 4.4 MMC電容電壓平衡控制策略75-79
• 4.4.1 電容電壓平衡控制原理分析75
• 4.4.2 電容電壓平衡控制方法75-77
• 4.4.3 仿真驗證與分析77-79
• 4.5 本章小結(jié)79-80
• 第5章 MMC-HVDC系統(tǒng)極控制層控制策略研究80-106
• 5.1 引言80-81
• 5.2 交流系統(tǒng)平衡時MMC-HVDC系統(tǒng)基本控制策略81-84
• 5.2.1 MMC-HVDC系統(tǒng)的基本控制形式81
• 5.2.2 MMC-HVDC系統(tǒng)直接電流控制策略81-84
• 5.3 MMC-HVDC系統(tǒng)的無源控制策略84-93
• 5.3.1 MMC的Euler-Lagrange數(shù)學模型84-85
• 5.3.2 MMC的無源性85
• 5.3.3 無源控制器設(shè)計85-87
• 5.3.4 外環(huán)控制器設(shè)計87-88
• 5.3.5 仿真驗證與分析88-93
• 5.4 MMC-HVDC系統(tǒng)的離散控制策略93-99
• 5.4.1 MMC的離散數(shù)學模型93-94
• 5.4.2 離散控制器設(shè)計94-95
• 5.4.3 Smith預(yù)估器補償控制95-96
• 5.4.4 外環(huán)控制器96
• 5.4.5 仿真驗證與分析96-99
• 5.5 向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)控制策略99-104
• 5.5.1 整流站控制器設(shè)計100-101
• 5.5.2 逆變站控制器設(shè)計101-102
• 5.5.3 仿真驗證與分析102-104
• 5.6 本章小結(jié)104-106
• 第6章 交流系統(tǒng)故障時MMC-HVDC控制保護策略研究106-125
• 6.1 引言106-107
• 6.2 交流系統(tǒng)不對稱故障對MMC-HVDC系統(tǒng)的影響107-108
• 6.3 抑制交流系統(tǒng)負序電流的MMC-HVDC控制保護策略108-118
• 6.3.1 交流系統(tǒng)不對稱故障時MMC的EL數(shù)學模型109-110
• 6.3.2 正負序無源控制器設(shè)計110-112
• 6.3.3 外環(huán)控制器設(shè)計112-113
• 6.3.4 交流系統(tǒng)故障時控制保護策略113-114
• 6.3.5 仿真驗證與分析114-118
• 6.4 向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC控制保護策略118-123
• 6.4.1 MMC交流側(cè)故障時的控制策略119-121
• 6.4.2 MMC交流側(cè)故障時的保護策略121
• 6.4.3 仿真驗證與分析121-123
• 6.5 本章小結(jié)123-125
• 第7章 結(jié)論與展望125-127
• 7.1 本文的主要成果及結(jié)論125-126
• 7.2 后續(xù)研究工作展望126-127
• 參考文獻127-139
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)文章139-140
• 攻讀博士學位期間參加的科研工作140-141
• 致謝141-142
• 作者簡介142

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 韓業(yè)輝,陳建業(yè),關(guān)勝利;基于DSP、工控機和網(wǎng)絡(luò)的SVC分布式控制系統(tǒng)[J];清華大學學報(自然科學版);2003年09期

2 滕松;宋新立;李廣凱;葉小暉;劉濤;仲悟之;;模塊化多電平換流器型高壓直流輸電綜述[J];電網(wǎng)與清潔能源;2012年08期

3 陳海榮;徐政;;向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器設(shè)計[J];中國電機工程學報;2006年23期

4 王久和;黃立培;楊秀媛;;三相電壓型PWM整流器的無源性功率控制[J];中國電機工程學報;2008年21期

5 丁冠軍;湯廣福;丁明;賀之淵;;新型多電平電壓源換流器模塊的拓撲機制與調(diào)制策略[J];中國電機工程學報;2009年36期

6 王姍姍;周孝信;湯廣福;賀之淵;滕樂天;包海龍;;模塊化多電平換流器HVDC直流雙極短路子模塊過電流分析[J];中國電機工程學報;2011年01期

7 管敏淵;徐政;;MMC型VSC-HVDC系統(tǒng)電容電壓的優(yōu)化平衡控制[J];中國電機工程學報;2011年12期

8 趙昕;趙成勇;李廣凱;饒宏;黎小林;;采用載波移相技術(shù)的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制[J];中國電機工程學報;2011年21期

9 楊曉峰;鄭瓊林;;基于MMC環(huán)流模型的通用環(huán)流抑制策略[J];中國電機工程學報;2012年18期

10 胡靜;趙成勇;趙國亮;周飛;王晶;蔡新紅;;換流站通用集成控制保護平臺體系結(jié)構(gòu)[J];中國電機工程學報;2012年22期

  本文關(guān)鍵詞：模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)控制保護策略研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：332083