模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)若干控制技術研究.pdf

1、模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)因其具有模塊化設計、易于擴展、開關頻率低和輸出電壓波形質量好等優(yōu)點，在高壓直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)領域具有廣闊的應用前景，MMC-HVDC已成為柔性直流輸電的發(fā)展趨勢。控制策略是MMC-HVDC的關鍵技術，控制策略直接決定了實際的運行性能。電網電壓對稱時MMC-HVDC控制策略的研究成果較多，相對成熟

2、，而不對稱電網電壓下MMC-HVDC控制策略的研究成果相對較少，已成為當前的一個研究熱點和難點。雖然國內外學者已開展了相關方面的研究并取得了一定的進展，但仍有部分問題亟待解決。正常運行過程中，電網電壓三相不對稱程度較小，一般發(fā)生交流故障時才會出現嚴重的不對稱。因此，研究不對稱電網電壓下MMC-HVDC的控制策略對于優(yōu)化其運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、海上鉆井平臺和城市中心等弱交流網絡或無源網絡供電領

3、域正發(fā)揮越來越大的作用。無源網絡含不對稱負荷或非線性負荷時，現有的控制策略難以保證逆變站向無源網絡提供高質量的供電電壓，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，重點研究了以下幾個方面的內容:
　　(1)不對稱電網電壓下MMC-HVDC交流側控制策略
　　建立了MMC-HVDC交流側通用功率模型，提出無差拍直接功率控制策略。該策略不需要電流內環(huán)，可實現交流側有功和無功的直接控制，控

4、制結構簡單，響應速度快。為了使該策略能應用于不對稱電網，對交流側功率進行深入分析，提出功率補償策略并給出不對稱電網電壓下三種控制目標對應的功率補償項計算公式。
　　為提高MMC-HVDC不對稱電網電壓下的運行能力，提出一種新型不平衡控制策略。該策略在正向同步旋轉坐標系下電流PI閉環(huán)控制的基礎上引入以抑制負序電流、抑制有功波動或抑制無功波動為控制目標的輔助控制器，避免了電壓、電流正負序分解和繁瑣的指令電流計算。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，進行了對比研究。研究發(fā)現，SOGI作為輔助控制器將產生三次正序諧波，導致電流畸變;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下的仿真結果驗證了上述兩種不平衡控制策略的正確性和有效性。
　　(2)不對稱電網電壓下MMC-HVDC環(huán)流抑制策略
　　推導了不對稱電網電壓下相單元瞬時能量表達式，并分析了環(huán)流產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)流參考值的計算公式，指出電網電壓不對稱時三相直流電流不一定彼此相等。提出三相靜止坐標系下基于P

7、I調節(jié)器與改進諧振(Improved Resonant，IR)調節(jié)器并聯結構的新型環(huán)流抑制策略。該策略直接在三相靜止坐標系下執(zhí)行，因而無需旋轉坐標變換和鎖相環(huán)，控制結構簡單，可以同時消除2倍頻正、負、零序環(huán)流，在電網電壓對稱和不對稱時均適用。仿真結果表明，所提環(huán)流抑制策略在對稱和不對稱電網下都能有效消除環(huán)流。
　　(3)不對稱電網電壓下MMC-HVDC橋臂電流控制策略
　　橋臂電流中包含了直流電流、交流側電流和環(huán)流三種成分，

8、通過調節(jié)橋臂電流，可同時實現交流側電流控制和環(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調節(jié)器-矢量比例積分(Vector Proportional Integral，VPI)調節(jié)器的MMC-HVDC橋臂電流控制策略;2）基于簡化的兩步預測模型預測控制(Model Predictive Control，MPC)算法的MMC-HVDC橋臂電流控制策略。
　　對于第一種方法，通過計算和分析相對增益矩陣揭示了輸入和輸出的

9、耦合關系，提出了相應的解耦方法以簡化控制器的設計。在三相靜止坐標系下，采用PI-VPI調節(jié)器以控制直流電流、交流側電流并消除2倍頻環(huán)流。為克服VPI參數選擇的主觀性和盲目性，提出了VPI參數選擇方法并給出詳細步驟。
　　對于第二種方法，建立基于橋臂電流的離散數學模型，據此提出基于單步預測MPC算法即1s-MPC，用于控制橋臂電流。為了提高控制性能，采用基于兩步預測的MPC算法即2s-MPCⅠ，但其計算量較大。為了降低計算量，在兩個

10、控制周期內使用相同的控制矢量，得到2s-MPCⅡ算法。當MMC的子模塊數較多時，2s-MPCⅡ的計算量仍然較大。為了進一步降低計算量，提出一種簡化的兩步預測MPC算法即2s-MPCⅢ。詳細給出了4種MPC算法的執(zhí)行步驟及流程圖，并從控制性能、平均開關頻率和計算量等方面進行對比。
　　兩種橋臂電流控制策略在電網電壓對稱、不對稱及上、下橋臂不對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制過程，控制結

11、構簡單，動態(tài)性能好。仿真結果驗證了兩種橋臂電流控制策略的有效性。
　　(4)向無源網絡供電的MMC-HVDC逆變站高性能控制策略
　　向無源網絡供電的逆變站通常采用電壓外環(huán)、電流內環(huán)的控制方法，存在控制結構復雜、4個PI調節(jié)器參數調整困難、負載擾動下動態(tài)響應較慢、向非線性負載及不對稱負載供電時電壓質量較差等缺點。為此，本文首先建立了MMC-HVDC逆變站ABC三相靜止坐標系下的連續(xù)數學模型，將其離散化得到相應的預測方程，進而

12、提出了逆變站模型預測直接電壓控制策略(MPDVC)。為降低MPDVC的計算量，將無差拍控制和MPDVC相結合提出無差拍模型預測直接電壓控制策略(DBMPDVC)。詳細給出了MPDVC和DBMPDVC的執(zhí)行步驟，并定性分析了二者的等價性。DBMPDVC省略了PI調節(jié)器和電流內環(huán)，簡化了控制結構，并實現了對電壓的直接控制。PSCAD/EMTDC下的仿真結果表明，DBMPDVC穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能良好，在各種工況下均能向無源網絡提供較高電壓質量的電