本文選題：模塊化多電平換流器 + 柔性直流輸電　； 參考：《山東大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：與傳統(tǒng)兩電平或三電平電壓源型換流器(Voltage Source Converter,VSC)相比,模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有許多無法比擬的優(yōu)勢:比如1)結(jié)構(gòu)模塊化,可以通過增加子模塊個數(shù)方便地擴展功率、電壓等級;2)開關(guān)頻率低,顯著減小了換流器及直流輸電系統(tǒng)整體損耗;3)波形質(zhì)量高,極大降低了對交直流側(cè)濾波器的要求;4)均壓難度低,采用子模塊串聯(lián)而非器件直接串聯(lián)技術(shù),大大降低了器件均壓難度;5)運行可靠性高,方便的子模塊冗余設(shè)計和橋臂電感直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)提高了換流器運行的安全可靠性。由于上述優(yōu)勢,基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電(Modular MultilevelConverter Based HVDC,MMC-HVDC)被認(rèn)為是最具潛力的柔性直流輸電方式,也是近年來國內(nèi)外實際工程中普遍采用的柔性直流輸電方式。MMC-HVDC在遠(yuǎn)距離大容量輸電,異步電網(wǎng)互聯(lián),分布式電源接入電網(wǎng),風(fēng)電場發(fā)電并網(wǎng),無源海島、鉆井平臺、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電及城市電網(wǎng)增容改造等諸多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景,成為近年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的焦點,工業(yè)界關(guān)注的焦點。雖然MMC-HVDC有諸多優(yōu)點,但是其機理分析,控制策略等均比傳統(tǒng)VSC-HVDC更為復(fù)雜。為了保證MMC-HVDC的可靠經(jīng)濟設(shè)計,安全穩(wěn)定運行及故障穿越能力,對MMC及其構(gòu)成的柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行精確的穩(wěn)態(tài)機理分析,可靠的控制系統(tǒng)設(shè)計,快速的并網(wǎng)策略研究,均有十分重要的理論研究價值和工程實用價值。本文主要利用理論分析,仿真驗證及部分實驗相結(jié)合的手段,重點研究MMC及相應(yīng)柔性直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行機理,快速并網(wǎng)鎖相,不同工況下的功率解耦控制及環(huán)流電流抑制等相關(guān)問題。(1)MMC的閉環(huán)時域穩(wěn)態(tài)分析方法。精確的時域穩(wěn)態(tài)分析可以實現(xiàn)MMC及MMC-HVDC的電氣量評估,電路參數(shù)設(shè)計及半導(dǎo)體器件選擇,是工程規(guī)劃和工程運行中極其關(guān)鍵的技術(shù)。提出了一種閉環(huán)時域穩(wěn)態(tài)分析方法,首先假定MMC精確調(diào)制函數(shù)及內(nèi)部環(huán)流均為未知量,然后基于經(jīng)典循環(huán)耦合原理在MMC內(nèi)部構(gòu)建兩個閉合分析環(huán)路,以此建立兩個非線性環(huán)路方程求解精確調(diào)制函數(shù),環(huán)流電流及所有被其耦合的MMC內(nèi)部電氣量。提出的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)分析方法在MMC整個功率運行范圍內(nèi)均能保持很高的分析精度,且此分析精度不受運行條件影響。除此之外,該方法還能實現(xiàn)MMC-HVDC系統(tǒng)交流側(cè)電壓的優(yōu)化設(shè)計和選擇。(2)MMC-HVDC在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下快速精確并網(wǎng)鎖相技術(shù)。該技術(shù)是實現(xiàn)MMC-HVDC正常并網(wǎng)運行,功率解耦控制及故障穿越的基礎(chǔ)。提出了一種微分滑動濾波快速鎖相技術(shù)。該技術(shù)將隨輸入信號頻率變化而在線變化的比例模塊引入滑動濾波鎖相環(huán)(Moving Average Filter based Phase Locked Loop,MAF-PLL),以此快速濾除最低次諧波減小滑動濾波模塊的窗口寬度,提升鎖相速度。由于比例模塊不會引入相位滯后,因此不會影響鎖相系統(tǒng)穩(wěn)定性。該鎖相技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單,計算量低,可以在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下,比如故障、高諧波污染、直流偏置等,實現(xiàn)精確、快速鎖相,為所有并網(wǎng)換流器(包括MMC)及柔性直流輸電系統(tǒng)的安全運行、可靠控制及故障穿越等提供保障。(3)MMC-HVDC不同工況下的功率解耦控制策略。研究了 MMC-HVDC在對稱及不對稱電網(wǎng)條件下的有功、無功解耦控制策略。交流電網(wǎng)不對稱時,對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分序解耦比例積分(Proportionallntergral,PI)控制策略及靜止坐標(biāo)系下的比例諧振(Proportional Resonant,PR)控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析及仿真驗證。研究發(fā)現(xiàn)基于PR的MMC-HVDC功率解耦控制策略可以在靜止坐標(biāo)系下實現(xiàn),無需交流電氣量正負(fù)序分離、分序控制以及坐標(biāo)變換和反變換,因此具有更加簡單的控制結(jié)構(gòu)和更低的計算量。(4)MMC-HVDC環(huán)流電流抑制策略。MMC自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理不可避免引起橋臂環(huán)流。研究了 MMC內(nèi)部環(huán)流產(chǎn)生的機理及相應(yīng)的環(huán)流抑制策略。得出在不對稱電網(wǎng)條件下,將MMC環(huán)流抑制策略直接應(yīng)用于MMC-HVDC系統(tǒng)時可能會引起直流母線電壓波動或無法完全消除零序環(huán)流。針對這一問題,設(shè)計了新的MMC零序環(huán)流控制器并提出了相應(yīng)的改進(jìn)MMC-HVDC環(huán)流抑制策略。改進(jìn)抑制策略結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),在不增加額外成本的情況下能夠完全消除對稱及不對稱電網(wǎng)條件下MMC-HVDC的內(nèi)部環(huán)流,直流母線電流及電壓波動,大大提升了系統(tǒng)整體運行性能及穩(wěn)定性。
[Abstract]:Compared with the traditional two - level or three - level voltage source converter ( VSC ) , the modular multilevel converter ( MMC ) has many incomparable advantages : ( 1 ) the modular multilevel converter based HVDC ( MMC - HVDC ) is considered to be the most potential flexible direct current transmission mode . This paper presents a closed - loop steady state analysis method for MMC - HVDC system . ( 3 ) The control strategy of active and reactive decoupling of MMC - HVDC under different operating conditions is studied . The control strategy of active and reactive decoupling of MMC - HVDC under the condition of symmetric and asymmetric power grid is studied . The mechanism of MMC - HVDC power decoupling control strategy and proportional resonant ( PR ) control strategy under stationary coordinate system are discussed in detail .

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM721.1

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本文編號：1783401