PWM电流源型高压直流输电系统设计与控制

论文总字数：39963字

摘 要

本文研究PWM电流源型高压直流输电系统的设计与控制。高压直流输电技术广泛地应用于远距离大功率输电、新能源传输、非同步联网等领域，带来了巨大的经济和社会效益，但也存在许多亟待研究和发展的空间。新型PWM电流源型高压直流输电技术具有许多先天优势，能够弥补传统HVDC技术和电压源型HVDC技术的不足，极大地促进高压直流电网的实现。

首先，本文建立了PWM电流源型HVDC系统的数学模型。以海上风电为应用背景，设计了级联结构的两端口PWM电流源型HVDC系统，能够淘汰掉传统输电系统中庞大且昂贵的海上变电站。利用模块化中频变压器结构，在风机侧实现了最大功率点追踪、模块化器件电压/功率平均分配控制；电流源型逆变器在电网侧实现了最小直流母线电流控制和无功功率控制。在此基础上对多端口PWM电流源型HVDC系统进行了研究，深入分析和探讨了其可行性和控制方法，并设计、搭建了三端口PWM电流源型HVDC系统。除此之外，本文还研究和对比了电压源型和电流源型HVDC系统短路故障特性，提出了基于PWM电流源型HVDC系统短路故障保护的基本概念。最后，利用simulink仿真验证了上述系统和控制方式的正确性。

关键词：电流源型变换器，多端口高压直流输电系统，海上风能变换系统，级联dc-dc变换器，直流短路故障

Abstract

The research work mainly focus on the design and control of PWM current source converter (CSC) based high voltage direct current (HVDC) transmission system. Nowadays, HVDC transmission technologies are widely used in long-distance high-power transmission, transmission of new energy, non-synchronous networking and other fields, bringing huge economic and social benefits. However, there still exist some problems and deficiencies which are difficult to improve in conventional HVDC technology, for instance: line commutating converter (LCC) based and voltage source converter (VSC) based HVDC technology. On the other hand, PWM CSC-based HVDC technology features some natural advantages, which can make up for these shortcomings and greatly promote the realization of HVDC grid.

Firstly, this paper establishes a mathematical model of the PWM CSC-based HVDC system. Based on the background of offshore wind energy transmission, a two terminals PWM CSC-based HVDC system with series structure is designed, these system has the advantage of eliminating the huge and expensive offshore substation. The modular mediate frequency transformer converter are used in the system, where maximum power point tracking and voltage/power average distribution control are implemented on the generator side, while minimum DC-link current control and reactive power control are implemented on the grid side. Further more, this paper investigates the feasibility and control scheme of the multi-terminal PWM-CSC-HVDC operation, and a three-terminal CSC-based HVDC system is designed. In addition, the characteristics of short-circuit fault in VSC-based and CSC-based HVDC systems is compared and a short-circuit fault protection scheme based on CSC-HVDC system is proposed in this paper. Finally, Simulations are conducted to verify the effectiveness of the proposed structure and control scheme.

KEY WORDS: Multi terminal high voltage direct current transmission system(MTDC),current source converter (CSC), wind energy conversion system(WECS),Cascaded dc-dc converter, short-circuit fault

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1. 研究背景 1

1.2. 高压直流输电研究现状 1

1.2.1. 高压直流输电工程概述 1

1.2.2. 电压源型高压直流输电工程 4

1.2.3. PWM电流源型高压直流输电工程 5

1.2.4 三种高压直流输电工程对比 6

1.3. PWM电流源型变换器研究现状 6

1.3.1. PWM电流源型变换器拓扑 6

1.3.2. PWM电流源型变换器调制技术研究现状 7

1.3.3. PWM电流源型变换器控制策略研究现状 8

1.4. 本文研究内容 9

第二章 PWM电流源型变换器与永磁同步电机建模 10

2.1. PWM电流源型变换器数学模型 10

2.1.1. 三相静止坐标系下PWM-CSC数学模型 10

2.1.2. 两相静止坐标系下PWM-CSC数学模型 11

2.1.3. 同步旋转坐标系下PWM-CSC数学模型 13

2.2. 模块化中频变压器数学模型 15

2.3. 永磁同步发电机数学模型 16

2.4. 本章小结 17

第三章 两端口PWM电流源型高压直流输电系统设计与仿真 18

3.1. 两端口PWM-CSC-HVDC系统拓扑结构 18

3.2. 三相PWM-CSC调制技术 19

3.2.1. 电流源型逆变器SVM调制技术 19

3.2.2. 模块化中频变压器移项调制技术 23

3.3. 三相PWM-CSC闭环控制策略 25

3.3.1. 电网侧闭环控制策略 25

3.3.2. 发电机侧闭环控制策略 28

3.4. 仿真研究 29

3.4.1. 单风机PWM-CSC系统仿真 29

3.4.2. 多风机PWM-CSC系统仿真 33

3.5. 本章小结 37

第四章 多端口PWM电流源型高压直流输电系统设计与仿真 38

4.1. 多端口HVDC技术简述 38

4.2. 环网型CSC-MTDC系统设计与仿真 39

4.2.1. 系统控制与设计 39

4.2.2. 仿真研究 42

4.3. 直流母线电路短路保护研究 46

4.3.1. 电压源型高压直流输电系统短路故障分析 46

4.3.2. PWM电流源型高压直流输电系统短路保护设计 49

4.3.3. 仿真研究 50

4.4. 本章小结 52

第五章 总结与展望 53

5.1. 全文总结 53

5.2. 未来工作展望 54

参考文献 55

致谢 57

第一章 绪论

研究背景

近年来，我国经济飞速发展，经济增长使得我国用电需求也日益上升，据国家能源局发布，2018 年全社会用电量增长到68,449 亿千瓦时，同比增长率达8.5%[1]。然而，随着用电需求的上升，我国的输电问题愈发明显，先天的地理、自然条件造成了能源和负荷中心分布的不匹配。就能源中心而言，川、云、藏三省地区中的水电资源约占全国总量的2/3，山西、陕西和内蒙古三省地区的煤炭储量约占全国总量的2/3；但就负荷中心而言，东部沿海地区和京广线以东地区用电量约占全国总量的2/3。

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