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)以其獨特的技術優勢,已成為未來電壓源換流器高壓直流輸電(Voltage Source Converter based HVDC, VSC-HVDC)領域的發展趨勢,將在我國電力系統中發揮重大作用。與兩電平、三電平VSC-HVDC在電磁暫態(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在電磁暫態仿真中必須單獨仿真超大數量的開關器件,導致仿真速度非常緩慢,使得MMC-HVDC一次電路參數選取及控制系統參數的優化變得非常困難,很大地阻礙了高電平MMC-HVDC的研究進展及工程化應用。因此,深入分析MMC-HVDC的運行特性,研究開發在保證其系統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高效建模方法進行全面深入的基礎研究。1) MMC-HVDC拓撲機制及運行特性研究為了研究MMC-HVDC的電磁暫態高效建模方法,首先分析了MMC的通用拓撲結構及三種常見子模塊,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)的拓撲結構和工作模式。其次從理論上證明了不同子模塊結構的MMC均適用傳統同步旋轉坐標系下的站級解耦控制策略,并推導了該策略在MMC中的具體表達式。進而分別介紹了傳統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制(Carrier Phase Shifted Sinusoidal Pulse Width Modulation, CPS-SPWM)的MMC調制和電容電壓平衡控制策略。基于上述MMC站級解耦控制及調制均壓策略,不同子模塊結構的MMC均可以構造閉環MMC型VSC-HVDC系統。三種MMC子模塊的最大區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構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)。仿真結果表明,在相同的系統參數下, 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)系統的直流故障線路定位和隔離以及快速功率恢復的控制策略,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.在仿真超大規模MMC所包含的大量子模塊的開關器件時,PSCAD/EMTDC等電磁暫態仿真軟件需要不斷地對超高階導納矩陣求逆,這是其在電磁暫態仿真中速度非常緩慢的本質原因。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納矩陣進行降階求解。根據節點電壓分析法,提出了基于受控源的MMC電磁暫態仿真提速模型,其本質為將求解MMC的每個橋臂所對應的超高階矩陣轉化為求解與橋臂內子模塊數目相同的小矩陣,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部特性。所提出的模型完全采用電磁暫態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結構以及諸如MATLAB/SIMULINK等電磁暫態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雜的調制及電容電壓平衡控制算法,仿真表明,控制算法的復雜度已成為制約MMC的電磁暫態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,并假設子模塊中的開關器件在斷開狀態時為理想器件(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。基于上述假設,提出了一種計算復雜度與橋臂子模塊個數相同的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的計算復雜度隨電平數線性變化。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中的應用研究在前述兩類MMC模型中,子模塊電容充放電特性得以精確體現,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,且采用平均化技術,只有一個直流側等效電容,因此其無法仿真詳細模型內部每個子模塊的充放電特性,一般用于多端直流電網的系統級高效仿真。由于MMC詳細模型的非線性運行特性非常復雜,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端直流電網為基準,對比發現平均值模型有效的前提是相對應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,分析發現不同的MMC調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制均壓算法的計算復雜度而上升。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意義。

總結

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