模块化多电平柔直换流器交直流电压交互影响研究

论文总字数：30709字

摘 要

近年来，智能电网、分布式电源以及可再生能源等技术快速发展，包括光伏风电等在内的新能源并网数量及容量逐渐增加, 模块化多电平柔性直流输电（MMC VSC-HVDC）技术成为新能源友好接入以及向无源网络供电的一种重要解决方案。

MMC交流侧电压支撑强度和直流电压的相互影响问题是构建MMC VSC-HVDC系统，分析交直流网络相互影响的一个重要问题，目前对于MMC的阀组及其控制的暂态建模及理论推导研究尚不成熟，难以表征暂态情况下MMC两侧交、直流电压的耦合关系。本文针对暂态情况下MMC VSC-HVDC换流器交直流电压的耦合关系展开理论研究，首先研究了MMC系统级控制原理、站级控制原理和阀级控制原理。进行了MMC电磁暂态数学模型的研究，提出了计及直流电压波动的暂态数学模型，并建立了对应传统暂态模型的平均值等效电路模型和对应计及直流电压波动暂态模型的改进平均值等效电路模型。在EMTDC/PSCAD软件中建立仿真模型，验证了所提模型的有效性和准确性，根据仿真结合暂态数学模型分析了暂态下MMC交直流电压交互影响过程。

关键词：柔性直流输电，模块化多电平换流器，暂态数学模型，平均值模型

Abstract

In recent years, technologies such as smart grids, distributed power sources, and renewable energy sources have developed rapidly. The number and capacity of new energy sources, including photovoltaic wind power, have gradually increased. Modular multi-level flexible direct current transmission (MMC VSC-HVDC) technology has become an important solution for new energy friendly access and power supply to passive networks.

The mutual influence between the AC voltage support strength and the DC voltage of the MMC is an important issue in constructing the MMC VSC-HVDC system and analyzing the interaction between the AC and DC networks. At present, the transient modelling and theoretical derivation study of the MMC valve group is not yet mature. It is difficult to characterize the coupling relationship between the AC and DC voltages of the MMC under transient conditions. This dissertation focuses on the theoretical research of the coupling relationship between the AC and DC voltages of the MMC under transient conditions. First, MMC valve-level control principle， station-level control principle and system-level control principle are studied. The study of the electromagnetic transient mathematical model of MMC is carried out, and the transient mathematical model considering the valve level trigger is proposed. The average-value circuit model based on the traditional transient model and the improved average-value circuit model considering the valve level triggered problem are established. A simulation model is established in EMTDC/PSCAD software to verify the validity and accuracy of the proposed model. According to the simulation and transient mathematic model, the interaction process of AC-DC voltage in the MMC under transient conditions is analyzed.

KEY WORDS: VSC-HVDC, Modular multilevel converter, Transient mathematical model, MMC average-value model

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 VSC-HVDC发展背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究工作 2

第二章 MMC VSC-HVDC工作原理 3

2.1 MMC拓扑结构 3

2.2 MMC系统级控制策略 3

2.3 MMC站级控制策略 5

2.4 MMC阀级控制策略 7

2.5 本章小结 10

第三章 MMC暂态建模和平均值等效电路建模 11

3.1 MMC暂态数学模型及其平均值模型 12

3.2 计及直流电压波动的MMC暂态数学模型 16

3.3 改进的MMC平均值模型 17

3.4 本章小结 18

第四章 基于改进平均值模型的PSCAD仿真建模 19

4.1 基于详细模型的MMC仿真建模 20

4.2 基于平均值模型和改进平均值模型的MMC仿真建模 23

4.3 改进平均值模型的有效性验证 25

4.4 本章小结 30

第五章 基于改进平均值模型的MMC交直流电压交互影响分析 31

5.1 用于MMC交直流电压交互影响分析的PSCAD建模 31

5.2 交流功率变化时的MMC交直流电压交互影响分析 32

5.3 直流电压波动时的MMC交直流电压交互影响分析 35

5.4 本章小结 39

第六章 总结与展望 40

6.1 总结 40

6.2 展望 40

致 谢 41

参考文献 42

附录A 44

绪论

VSC-HVDC发展背景

从1954年瑞典的Gotland直流输电工程投运起，基于电流源换流器的传统换相高压直流输电（Line-commutated Converters Based HVDC， LCC-HVDC）技术已经充分应用到世界各地的电力系统中。相比于传统交流输电，LCC-HVDC技术的优势如下^[1]：（1）可以快速控制有功潮流；（2）功率传输距离远、容量大；（3）能够在区域电网之间完成非同步互联；（4）没有潮流线路的稳定性问题。虽然LCC-HVDC技术具有上述优点，但其同时存在诸如自身需要大量无功补偿，有功功率无功功率无法独立控制，LCC容易发生换相失败问题，多端直流电网难以构造等问题。如今电力系统越来越复杂，对于直流输电系统稳定性、灵活性、可控性的要求越来越高，LCC-HVDC已经逐渐无法满足这些要求。

1990年，基于电压源换流器的高压直流输电技术（Voltage Source Converters Based HVDC, VSC-HVDC）被加拿大的Ooi等人首先提出，该技术于2006年被中国学者命名为柔性直流输电技术。VSC-HVDC技术将由IGBT组成的电压源型换流器，代替LCC-HVDC技术中由晶闸管组成的电流源型换流器。与LCC-HVDC不同的是，VSC-HVDC的优势如下^[2]：（1）能快速独立控制有功功率以及无功功率，不再需要大量无功补偿器件；（2）实现对无源网络供电；（3）在系统潮流方向发生改变时，直流电压在直流电流反向时能够保持原有的极性，易于构造多端直流输电系统。虽然随着技术的不断进步，VSC-HVDC的电压等级、传输距离和容量大小都不断提高，但是VSC-HVDC采取两电平、三电平VSC技术，和LCC-HVDC相比较，VSC-HVDC的电压等级、传输距离和容量大小都相对偏低。制约低电平VSC-HVDC技术发展的原因主要包括单个IGBT承高电压，单个换流阀在稳态和暂态时均压存在困难，开关器件的开关频率高、损耗大、谐波含量较高等问题。

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