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(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì),已成為未來(lái)電壓源換流器高壓直流輸電(Voltage Source Converter based HVDC, VSC-HVDC)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì),將在我國(guó)電力系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。與兩電平、三電平VSC-HVDC在電磁暫態(tài)(Electromagnetic Transient, EMT)仿真中采用單個(gè)器件代表整個(gè)換流閥不同,高電壓、大功率的MMC-HVDC在電磁暫態(tài)仿真中必須單獨(dú)仿真超大數(shù)量的開(kāi)關(guān)器件,導(dǎo)致仿真速度非常緩慢,使得MMC-HVDC一次電路參數(shù)選取及控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化變得非常困難,很大地阻礙了高電平MMC-HVDC的研究進(jìn)展及工程化應(yīng)用。因此,深入分析MMC-HVDC的運(yùn)行特性,研究開(kāi)發(fā)在保證其系統(tǒng)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(duì)模塊化多電平換流器電磁暫態(tài)高效建模方法進(jìn)行全面深入的基礎(chǔ)研究。1) MMC-HVDC拓?fù)錂C(jī)制及運(yùn)行特性研究為了研究MMC-HVDC的電磁暫態(tài)高效建模方法,首先分析了MMC的通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及三種常見(jiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作模式。其次從理論上證明了不同子模塊結(jié)構(gòu)的MMC均適用傳統(tǒng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的站級(jí)解耦控制策略,并推導(dǎo)了該策略在MMC中的具體表達(dá)式。進(jìn)而分別介紹了傳統(tǒng)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(diào)制(Carrier Phase Shifted Sinusoidal Pulse Width Modulation, CPS-SPWM)的MMC調(diào)制和電容電壓平衡控制策略。基于上述MMC站級(jí)解耦控制及調(diào)制均壓策略,不同子模塊結(jié)構(gòu)的MMC均可以構(gòu)造閉環(huán)MMC型VSC-HVDC系統(tǒng)。三種MMC子模塊的最大區(qū)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(píng)估不同結(jié)構(gòu)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(biāo)(DCFaults Ride-through Capability Index, DFRTI)。仿真結(jié)果表明,在相同的系統(tǒng)參數(shù)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(tǒng)的直流故障線路定位和隔離以及快速功率恢復(fù)的控制策略,PSCAD/EMTDC下的仿真驗(yàn)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(guī)模MMC所包含的大量子模塊的開(kāi)關(guān)器件時(shí),PSCAD/EMTDC等電磁暫態(tài)仿真軟件需要不斷地對(duì)超高階導(dǎo)納矩陣求逆,這是其在電磁暫態(tài)仿真中速度非常緩慢的本質(zhì)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(duì)高階導(dǎo)納矩陣進(jìn)行降階求解。根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓分析法,提出了基于受控源的MMC電磁暫態(tài)仿真提速模型,其本質(zhì)為將求解MMC的每個(gè)橋臂所對(duì)應(yīng)的超高階矩陣轉(zhuǎn)化為求解與橋臂內(nèi)子模塊數(shù)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(shí),精確等效MMC的外特性以及子模塊的電容電壓充放電過(guò)程等內(nèi)部特性。所提出的模型完全采用電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)模型庫(kù)中的已有元件,無(wú)需用戶自定義；同時(shí),采用節(jié)點(diǎn)電壓法證明了該模型與原有詳細(xì)模型同解,且由證明過(guò)程的一般性可知,所提出模型不僅適用于三種常見(jiàn)MMC在PSCAD/EMTDC下的仿真,對(duì)其余MMC結(jié)構(gòu)以及諸如MATLAB/SIMULINK等電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)都具有很強(qiáng)的通用性。在PSCAD/EMTDC中搭建的不同電平數(shù)半橋型MMC模型驗(yàn)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(kāi)關(guān)元件與詳細(xì)模型完全相同,因此其必須與詳細(xì)模型(Detailed Model, DM)采用完全相同的調(diào)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(gè)顯著特點(diǎn)是復(fù)雜的調(diào)制及電容電壓平衡控制算法,仿真表明,控制算法的復(fù)雜度已成為制約MMC的電磁暫態(tài)仿真效率的重要因素。因此,有必要以用戶自定義的形式開(kāi)發(fā)MMC等效模型,并提出一種計(jì)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(gè)子模塊的電容離散化為戴維南電壓源和電阻的串聯(lián),并假設(shè)子模塊中的開(kāi)關(guān)器件在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)為理想器件(即無(wú)窮大電阻),因此在對(duì)MMC一次電路求解時(shí)的計(jì)算量得到大大簡(jiǎn)化。同時(shí),由于采用后退歐拉法,每個(gè)子模塊電容電壓的瞬時(shí)值只取決于子模塊當(dāng)前步長(zhǎng)的投切狀態(tài)。基于上述假設(shè),提出了一種計(jì)算復(fù)雜度與橋臂子模塊個(gè)數(shù)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(shí)現(xiàn)方法,使其具備仿真換流器的啟動(dòng)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(jì)算復(fù)雜度隨電平數(shù)線性變化。仿真驗(yàn)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(shí)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(yīng)用到了全橋型MMC中并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。4)MMC平均值模型在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用研究在前述兩類(lèi)MMC模型中,子模塊電容充放電特性得以精確體現(xiàn),因此其外部特性與MMC詳細(xì)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(lái)等效MMC詳細(xì)模型的交、直流側(cè),且采用平均化技術(shù),只有一個(gè)直流側(cè)等效電容,因此其無(wú)法仿真詳細(xì)模型內(nèi)部每個(gè)子模塊的充放電特性,一般用于多端直流電網(wǎng)的系統(tǒng)級(jí)高效仿真。由于MMC詳細(xì)模型的非線性運(yùn)行特性非常復(fù)雜,而平均值模型對(duì)其進(jìn)行了很大的簡(jiǎn)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(xì)模型搭建的4端直流電網(wǎng)為基準(zhǔn),對(duì)比發(fā)現(xiàn)平均值模型有效的前提是相對(duì)應(yīng)的詳細(xì)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(shí),分析發(fā)現(xiàn)不同的MMC調(diào)制及均壓算法對(duì)平均值模型的適用性無(wú)明顯影響,但使用平均值模型所帶來(lái)的加速比卻隨著調(diào)制均壓算法的計(jì)算復(fù)雜度而上升。同時(shí),原有平均值模型無(wú)法精確仿真直流故障特性及換流器閉鎖等多端直流電網(wǎng)仿真中的必備功能。為了彌補(bǔ)這一不足,提出了改進(jìn)平均值模型拓?fù)?仿真表明其可以滿足直流電網(wǎng)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?fù)涓倪M(jìn)措施對(duì)另外兩種MMC平均值模型也具有理論指導(dǎo)意義。

總結(jié)

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