论文总字数：32535字

摘 要

高压直流输电技术是现代电力系统重要领域，特别是随着电力电子器件突飞猛进的发展，高电压大容量电能变得更加高效，使得高压直流输电在大容量、远距离输电上相比于传统交流输电具有明显优势。本文对模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）与高压直流输电（High Voltage Direct Current,HVDC）系统的拓扑结构、运行特性、调制策略进行了详细的研究，着重分析了MMC的ODE模型，建立了MMC-HVDC仿真模型，主要研究内容如下：

1.介绍了MMC拓扑结构与工作原理，对MMC的工作电流电压进行了详细的数学推导，得到了直流母线电压、上下桥臂电压、子模块电容电压之间的关系。介绍了MMC的调制策略——最近电平逼近与载波移相调制策略。子模块电容电压均衡控制算法是MMC运行的核心点，本文在介绍了传统的排序法后，针对其缺点介绍了改进方法。

2.建立了MMC交直流侧数学模型，完成了MMC—ODE 4个方程的推导。介绍MMC—HVDC的主回路接线方式，对MMC—HVDC运行特性进行详细分析，提出MMC变换器输出电压的幅值与相位决定了直流电网与交流电网之间的能量传递。

3.以昆柳龙直流工程的广东侧数据为基础在Matlab/Simulink上搭建起了MMC—ODE模型，仿真结果证明了MMC—ODE方程能够精确描述MMC变换器的交直流侧的运行特性。接着引入广东侧MMC—ODE模型与广东侧MMC—ODE模型为基础，广西侧数据做小部分改动即可在Simulink上搭建广西侧MMC—ODE模型，并且仿真正确，证明了用ODE方程对MMC变换器器建模具有很高的可移植性。改变交流侧有功、无功功率给定值，MMC—ODE模型输出的有功、无功功率与交流电流能够快速响应并且保持稳定，证明MMC—ODE模型具有良好的动态响应性能与稳定性能。将本文建立好的MMC—ODE模型与段家佳建立的LLC—ODE模型连接建立了昆柳龙三端直流工程LLC—MMC—ODE系统模型，仿真证明建立的系统模型正确。最后进行了有功、无功功率变化时的LCC—MMC—ODE系统模型的仿真分析。

4.MMC内部环流会增加原件损耗，影响系统稳定性，所以环流控制一直是MMC调制策略的重要内容。本文提出了一种在dq坐标下的环流控制器使得环流得到很好的控制，并进行了仿真验证。

关键词：高压直流输电；模块化多电平变换器：调制策略； ODE模型；环流控制

ABSTRACT

High-voltage direct current transmission technology is an important field of modern power system. Especially with the rapid development of power electronic devices, high-voltage and large-capacity electric energy becomes more efficient, making high-voltage direct current transmission on large-capacity and long-distance transmission compared with traditional AC transmission. Has a clear advantage. In this paper, the topology, operation characteristics and modulation strategy of Modular Multilevel Converter (MMC) and High Voltage Direct Current (HVDC) systems are studied in detail, and the ODE of MMC is analyzed. Model, established the MMC-HVDC simulation model, the main research contents are as follows:

1. Introduced the MMC topology structure and working principle, and carried out detailed mathematical derivation of the working current and voltage of MMC, and obtained the relationship between DC bus voltage, upper and lower bridge voltage and sub-module capacitance voltage. The modulation strategy of MMC is introduced, the nearest level approximation and carrier phase shift modulation strategy. The sub-module capacitor voltage equalization control algorithm is the core point of MMC operation. After introducing the traditional sorting method, this paper introduces an improved method for its shortcomings.

2. The mathematical model of MMC AC and DC side is established, and the derivation of the four equations of MMC-ODE is completed. This paper introduces the main circuit wiring mode of MMC-HVDC, and analyzes the operating characteristics of MMC-HVDC in detail. It is proposed that the amplitude and phase of the output voltage of the MMC converter determine the energy transfer between the DC grid and the AC grid.

3.Based on the Guangdong side data of Kunlunlong DC project, the MMC-ODE model is built on Matlab/Simulink. The simulation results prove that the MMC-ODE equation can accurately describe the AC/DC operating characteristics of the MMC converter. Then, based on the introduction of the MMC-ODE model on the Guangdong side and the MMC-ODE model on the Guangdong side, the Guangxi side MMC-ODE model can be built on the Simulink with a small change in the data of the Guangxi side, and the simulation is correct, which proves that the MDE transformation is performed by the ODE equation. Device modeling is highly portable.

4. The MMC internal circulation will increase the original loss and affect the stability of the system. Therefore, the circulation control has always been an important part of the MMC modulation strategy. In this paper, a loop controller in dq coordinates is proposed to make the loop flow well controlled and verified by simulation.

Key words: high voltage direct current transmission; modular multilevel converter: modulation strategy; ODE model; circulation control

目 录

摘 要 I

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2 HVDC系统研究现状 2

1.3本文的主要内容 3

第二章 MMC工作原理 5

2.1 MMC拓扑结构 5

2.2 MMC工作原理 6

2.2.1 子模块的工作原理 6

2.2.2 MMC的工作原理 8

2.3 MMC的调制策略 10

2.3.1最近电平逼近调制策略（NLC） 10

2.3.2载波移相调制策略 11

2.4子模块电容电压均衡控制算法 16

2.4.1传统方法 16

2.4.1改进方法 16

2.5本章小结 18

第三章 MMC-HVDC的数学模型 19

3.1 MMC—HVDC交直流侧数学模型 19

3.2 MMC-HVDC站的常系数微分方程(ODE)描述 21

3.4 MMC—HVDC的主回路接线方式 22

3.4.1 对称单极性接线 22

3.4.2 对称双极性接线 23

3.4 MMC的运行特性分析 24

3.5本章小结 25

第四章 基于ODE方程的HVDC系统建模与仿真 26

4.1单站仿真分析 26

4.1.1 的计算推导与、值的确定 29

4.1.2 广东侧仿真分析 29

4.1.3 广西侧仿真分析 36

4.1.4 有功、无功功率变化时仿真分析 39

4.3多端系统仿真分析 42

4.2本章小结 48

第五章 环流的产生原理与抑制策略 49

5.1环流的产生原理 49

5.2环流的抑制策略 49

5.3仿真分析 52

5.4本章小结 53

第六章 总结与展望 54

6.1总结 54

6.2展望 55

参考文献 56

致谢 57

绪论

1.1课题背景

在20世纪末，随着世界人口的急剧增长与不可再生能源的大量消耗，环境污染问题的日益加重，电力系统在满足供电的四大标准（保证可靠的持续供电；保证良好的电能质量；保证系统运行的经济性；保证对环境的保护）的同时，人们对其提出了越来越高的要求。随着远距离输电而不断提高电压等级，由此带来的高运营成本，高运行难度使得高压交流远距离输电不再经济。与此同时，近几年来太阳能、风能、等大规模新能源并网对电力系统稳定性都造成较大冲击，存在弃光、弃风问题。

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