模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)若干控制技術(shù)研究.pdf

1、模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)因其具有模塊化設(shè)計(jì)、易于擴(kuò)展、開關(guān)頻率低和輸出電壓波形質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在高壓直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，MMC-HVDC已成為柔性直流輸電的發(fā)展趨勢(shì)。控制策略是MMC-HVDC的關(guān)鍵技術(shù)，控制策略直接決定了實(shí)際的運(yùn)行性能。電網(wǎng)電壓對(duì)稱時(shí)MMC-HVDC控制策略的研究成果較多，相對(duì)成熟

2、，而不對(duì)稱電網(wǎng)電壓下MMC-HVDC控制策略的研究成果相對(duì)較少，已成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。雖然國內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)方面的研究并取得了一定的進(jìn)展，但仍有部分問題亟待解決。正常運(yùn)行過程中，電網(wǎng)電壓三相不對(duì)稱程度較小，一般發(fā)生交流故障時(shí)才會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱。因此，研究不對(duì)稱電網(wǎng)電壓下MMC-HVDC的控制策略對(duì)于優(yōu)化其運(yùn)行性能和提高其故障穿越能力具有重要意義。MMC-HVDC在向孤島、海上鉆井平臺(tái)和城市中心等弱交流網(wǎng)絡(luò)或無源網(wǎng)絡(luò)供電領(lǐng)

3、域正發(fā)揮越來越大的作用。無源網(wǎng)絡(luò)含不對(duì)稱負(fù)荷或非線性負(fù)荷時(shí)，現(xiàn)有的控制策略難以保證逆變站向無源網(wǎng)絡(luò)提供高質(zhì)量的供電電壓，因此，有必要研究逆變站高性能控制策略。本文的主要工作圍繞MMC-HVDC控制策略展開，重點(diǎn)研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
　　(1)不對(duì)稱電網(wǎng)電壓下MMC-HVDC交流側(cè)控制策略
　　建立了MMC-HVDC交流側(cè)通用功率模型，提出無差拍直接功率控制策略。該策略不需要電流內(nèi)環(huán)，可實(shí)現(xiàn)交流側(cè)有功和無功的直接控制，控

4、制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快。為了使該策略能應(yīng)用于不對(duì)稱電網(wǎng)，對(duì)交流側(cè)功率進(jìn)行深入分析，提出功率補(bǔ)償策略并給出不對(duì)稱電網(wǎng)電壓下三種控制目標(biāo)對(duì)應(yīng)的功率補(bǔ)償項(xiàng)計(jì)算公式。
　　為提高M(jìn)MC-HVDC不對(duì)稱電網(wǎng)電壓下的運(yùn)行能力，提出一種新型不平衡控制策略。該策略在正向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流PI閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上引入以抑制負(fù)序電流、抑制有功波動(dòng)或抑制無功波動(dòng)為控制目標(biāo)的輔助控制器，避免了電壓、電流正負(fù)序分解和繁瑣的指令電流計(jì)算。將二階廣義積分器(Se

5、cond OrderGeneralized Integrator，SOGI)、降階廣義積分器(Reduced Order GeneralizedIntegrator，ROGI)和降階矢量比例積分器(Reduced Order Vector ProportionalIntegrator，ROVPI)三種控制器作為輔助控制器的備選方案，進(jìn)行了對(duì)比研究。研究發(fā)現(xiàn)，SOGI作為輔助控制器將產(chǎn)生三次正序諧波，導(dǎo)致電流畸變;與ROGI相比，ROVP

6、I具有更好的控制精度和相位裕度，選擇ROVPI作為輔助控制器。
　　PSCAD/EMTDC下的仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述兩種不平衡控制策略的正確性和有效性。
　　(2)不對(duì)稱電網(wǎng)電壓下MMC-HVDC環(huán)流抑制策略
　　推導(dǎo)了不對(duì)稱電網(wǎng)電壓下相單元瞬時(shí)能量表達(dá)式，并分析了環(huán)流產(chǎn)生原因及不同情況下環(huán)流的成分。給出了流過各相單元直流電流即環(huán)流參考值的計(jì)算公式，指出電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)三相直流電流不一定彼此相等。提出三相靜止坐標(biāo)系下基于P

7、I調(diào)節(jié)器與改進(jìn)諧振(Improved Resonant，IR)調(diào)節(jié)器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的新型環(huán)流抑制策略。該策略直接在三相靜止坐標(biāo)系下執(zhí)行，因而無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和鎖相環(huán)，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以同時(shí)消除2倍頻正、負(fù)、零序環(huán)流，在電網(wǎng)電壓對(duì)稱和不對(duì)稱時(shí)均適用。仿真結(jié)果表明，所提環(huán)流抑制策略在對(duì)稱和不對(duì)稱電網(wǎng)下都能有效消除環(huán)流。
　　(3)不對(duì)稱電網(wǎng)電壓下MMC-HVDC橋臂電流控制策略
　　橋臂電流中包含了直流電流、交流側(cè)電流和環(huán)流三種成分，

8、通過調(diào)節(jié)橋臂電流，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流控制和環(huán)流抑制。本文提出兩種橋臂電流控制策略:1)基于解耦器和PI調(diào)節(jié)器-矢量比例積分(Vector Proportional Integral，VPI)調(diào)節(jié)器的MMC-HVDC橋臂電流控制策略;2）基于簡(jiǎn)化的兩步預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control，MPC)算法的MMC-HVDC橋臂電流控制策略。
　　對(duì)于第一種方法，通過計(jì)算和分析相對(duì)增益矩陣揭示了輸入和輸出的

9、耦合關(guān)系，提出了相應(yīng)的解耦方法以簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)。在三相靜止坐標(biāo)系下，采用PI-VPI調(diào)節(jié)器以控制直流電流、交流側(cè)電流并消除2倍頻環(huán)流。為克服VPI參數(shù)選擇的主觀性和盲目性，提出了VPI參數(shù)選擇方法并給出詳細(xì)步驟。
　　對(duì)于第二種方法，建立基于橋臂電流的離散數(shù)學(xué)模型，據(jù)此提出基于單步預(yù)測(cè)MPC算法即1s-MPC，用于控制橋臂電流。為了提高控制性能，采用基于兩步預(yù)測(cè)的MPC算法即2s-MPCⅠ，但其計(jì)算量較大。為了降低計(jì)算量，在兩個(gè)

10、控制周期內(nèi)使用相同的控制矢量，得到2s-MPCⅡ算法。當(dāng)MMC的子模塊數(shù)較多時(shí)，2s-MPCⅡ的計(jì)算量仍然較大。為了進(jìn)一步降低計(jì)算量，提出一種簡(jiǎn)化的兩步預(yù)測(cè)MPC算法即2s-MPCⅢ。詳細(xì)給出了4種MPC算法的執(zhí)行步驟及流程圖，并從控制性能、平均開關(guān)頻率和計(jì)算量等方面進(jìn)行對(duì)比。
　　兩種橋臂電流控制策略在電網(wǎng)電壓對(duì)稱、不對(duì)稱及上、下橋臂不對(duì)稱等情況下均能取得良好的控制效果。相比于第一種方法，第二種方法省略了解耦器和調(diào)制過程，控制結(jié)

11、構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好。仿真結(jié)果驗(yàn)證了兩種橋臂電流控制策略的有效性。
　　(4)向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC逆變站高性能控制策略
　　向無源網(wǎng)絡(luò)供電的逆變站通常采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方法，存在控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、4個(gè)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整困難、負(fù)載擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢、向非線性負(fù)載及不對(duì)稱負(fù)載供電時(shí)電壓質(zhì)量較差等缺點(diǎn)。為此，本文首先建立了MMC-HVDC逆變站ABC三相靜止坐標(biāo)系下的連續(xù)數(shù)學(xué)模型，將其離散化得到相應(yīng)的預(yù)測(cè)方程，進(jìn)而

12、提出了逆變站模型預(yù)測(cè)直接電壓控制策略(MPDVC)。為降低MPDVC的計(jì)算量，將無差拍控制和MPDVC相結(jié)合提出無差拍模型預(yù)測(cè)直接電壓控制策略(DBMPDVC)。詳細(xì)給出了MPDVC和DBMPDVC的執(zhí)行步驟，并定性分析了二者的等價(jià)性。DBMPDVC省略了PI調(diào)節(jié)器和電流內(nèi)環(huán)，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓的直接控制。PSCAD/EMTDC下的仿真結(jié)果表明，DBMPDVC穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能良好，在各種工況下均能向無源網(wǎng)絡(luò)提供較高電壓質(zhì)量的電