MMC在柔性直流输电中的应用

1、硕 士 学 位 论 文题 目: MMC 在柔性直流输电中的应用研 究 生 专 业 指导教师 完成日期 MMC 在柔性直流输电中的应用研 究 生： 指导教师： 2016 年 12 月论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日I摘要模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)是一种具有较好发展前景的新型变换器拓扑结构，本文旨在通过对模块化多电平变换器及其在高压直流输电（MMC-HVDC ）中的控制方法进行研究，提高变换器的可靠性。本文首先对 MMC 的子模块拓扑结构进行分析，详细阐述了子模块的运行机理，并建立了变换器的数学模型。

2、介绍了两种预充电策略，并比较变换器常用的几种调制方式，对其各自的优缺点进行阐述。其次，根据能量守恒原则对子模块电容电压和环流进行数学建模分析，给出了相应的控制器以减小电容电压波动和抑制环流谐波。之后简要分析了MMC 系统损耗的组成，给出了所占比重较大的开关损耗的计算方法，并对传统的电容电压排序算法进行优化，提出改进的排序算法，以达到减小开关频率和开关损耗的目的。对控制方法进行仿真验证，证明控制方法的正确性。再次，结合模块化多电平变换器自身特点，详细研究两端 MMC-HVDC 输电系统中系统控制层、换流站控制层、换流阀控制层中的控制策略。本文对换流站控制层和换流阀控制层进行了详细讨论，给出相应的

3、控制方法，并对各控制层中的控制方法进行了仿真验证，证明控制方法的有效性。最后，设计和搭建了一台三相模块化五电平变换器，给出主要单元的原理图。其中控制单元采用 DSP 和 FPGA 协同控制，给出了 DSP 与 FPGA 的功能框图与程序流程图。在样机中加入换流站层控制器与换流阀层控制器，分别在本地负载和并网两种工况下进行实验，给出样机稳定运行时的实验波形，验证了所设计控制方法的可行性。关键词：模块化多电平变换器；柔性直流输电；调制策略；电容电压均压控制；环流抑制IIABSTRACTModular multilevel converter (MMC) is a relatively new an

4、d promising topology, which has gained a lot of interest in industry in the recent years due to its modularity, scalability, reliability. Its characteristic of modular design can easily adapted for applications that require different power and voltage levels, such as supplies for electric railways,

5、static compensators (STATCOMs) and high-voltage direct current transmission (HVDC) . This dissertation aims to improve the reliability of this system by studying the control strategies of MMC and MMC-HVDC systems.First, the topology and the basic operating principles of Sub -Module(SM) are introduce

6、d. Then two control strategies for pre-charging of capacitors were analyzed. Whats more, this dissertation compared several modulation strategies that are commonly used in system, and describe d their advantages and disadvantages respectively. Second, the mathematic model for capacitor voltage-balan

7、cing and circulating current was analyzed based on the conservation of energy. According to the mathematic model, this paper put forward the corresponding control method and circulating current suppressing controller to reduce the voltage fluctuation and eliminate the inner balancing currents. Then

8、make clear the loss composition of MMC system, and give a formula to calculate the switching losses which take a large percentage of total losses. By optimized the traditional capacitance voltage sorting algorithm, an improved sorting algorithm is put forward in order to reduce the switching frequen

9、cy and switching losses. Then a simulation model was provided to realize and configure the control strategies.Third, combined with the characteristics of MMC, the thesis analyzed the control method in MMC based VSC-HVDC system. The control strategies were divided into system layer, converter layer a

10、nd valve control layer in the HVDC system. The controllers and the system in the last two layers discussed in detail in the thesis, a simulation model was used to verify the feasibility of control strategies.Finally, a three-phase MMC experimental platform was built. The software and hardware design

11、 of the platform were elaborated. The control strategy discussed in this thesis was implemented on the platform. The experimental waveforms were presented and the validity of theoretical analysis were demonstrated.IIIKeywords: Modular multilevel converter(MMC),VSC-HVDC, modulation strategy, capacito

12、r voltage balance, circulating current suppressionIV目录摘要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 电压源变换器拓扑结构 .31.3 模块化多电平变换器的应用 .51.4 论文的主要工作 .62 模块化多电平变换器（MMC）拓扑结构和运行原理 .82.1 模块化多电平变换器及子模块（sub module，SM）拓扑结构 .82.2 MMC 子模块工作原理 .112.3 MMC 的数学模型 .152.4 MMC 预充电方案 .182.4.1 自励式充电 .182.4.2 它励式充电 .192.5 本章小结

13、 .203 MMC 的调制方法与控制策略 .213.1 MMC 的调制方法 .213.1.1 载波层叠调制 .223.1.2 载波相移调制 .223.1.3 最近电平逼近调制 .233.1.4 空间矢量调制 .243.2 电容电压平衡控制 .263.2.1 直接选择排序均压控制 .263.2.2 改进的排序均压控制 .273.2.3 独立均压控制 .293.2.4 仿真验证 .313.3 环流模型与环流控制策略 .353.3.1 环流数学模型 .353.3.2 环流谐波抑制策略 .393.3.3 仿真验证 .43V3.4 本章小结 .454 MMC 在柔性直流输电（VSC-HVDC ）中三相平

14、衡控制策略 .464.1 MMC-HVDC 系统控制基本原理 .464.2 MMC-HVDC 的数学模型 .474.3 MMC-HVDC 的控制策略 .484.3.1 内环控制器设计 .484.3.2 外环控制器设计 .494.4 仿真验证 .524.5 本章小结 .565 MMC 分布式实验平台设计和实验结果 .575.1 硬件设计 .575.1.1 控制电路 .585.1.2 桥臂功率单元 .605.1.3 采样电路 .605.1.4 驱动电路 .625.2 程序设计 .635.2.1 DSP 程序设计 .645.2.2 FPGA 程序设计 .675.3 实验结果 .685.4 本章小结

15、.716 总结与展望 .726.1 总结 .726.2 展望 .73参考文献 .74致谢 .78附 录 .7911 绪论1.1 研究背景及意义随着科技的发展，能源紧缺和环境污染成为制约我国经济发展的巨大问题。为了减少环境污染和缓解能源压力，国家能源局采取了一些列措施以推动风电产业持续健康发展，自 2013 年后风电等新能源新增装机量逐年增多，如图 1.1所示。随着风电产业的推动，风电容量以及用电容量与日俱增，高压输电，特别是远距离高压输电面临巨大挑战。193 507 1288331161541380318929 17630129601608923196305002004 2005 2006 2

16、007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015新 增 装 机 量/MW图 1.1 新增装机量在电力系统发展初期，电力传输的主要方法是直流传输。19 世纪 80 和 90年代，人们掌握了多相交流电原理，之后的几十年中，变压器和交流电机的出现，使交流输电成为了电力输送的主导地位，并发展成为巨大的电力系统。期间，交流输电和直流输电两种输电方式一直存在着激烈的争论，交流输电的支持者认为交流输电的优势是显而易见的，传输电力的主导地位永远不会改变。但随着输电距离的增加、输电容量的增加，交流输电的缺点日渐显露。海上孤岛、海上开采等无源负荷的增多，城市化电网的扩充，海上

17、风电场等清洁能源的并网馈入等问题日益增多，这就要求在有限的输电走廊中输送更多的电能，若采用传统的三相交流输电，线路走廊成本较高，损耗较大，而且需要电网的双向同期互联 1,2。在直流输电技术中则不需要上述双向同期互联等条件。直流输电的送电端和受电端采用电力电子变换器对交流功率和直流功率进行交互，其利用输电系2统两端变换器输出的直流电压差可以控制直流电流 3。早期制约直流输电技术发展的问题之一就是换流器技术，它是直流输电系统中的核心装置。迄今为止，在发达国家百分之六十以上的电能都要经过电力电子换流装置进行处理。近年来的柔性交流输电系统（FACTS ） 、静止无功发生器（SVG） 、有源电力系统滤波

18、器（APF ）等系统都是依靠电力电子设备发展起来的。电力电子设备还能有效解决电力系统中的瞬时电压跌落、电网瞬时停电、电压闪变等问题，对提高电网控制、改善电能质量、进行电能传递起着关键性作用。因此，电力电子技术的发展对电力系统的发展具有深远影响，在电力系统现代化的过程中，离开电力电子技术的电力系统现代化是不可能完成的。传统高压直流输电（HVDC）中使用的变换器为电流源型变换器（CSC ） ，它的开关器件主要由二极管、晶闸管等自关断器件组成，结构简单，运行损耗较小，具有经济优势。但是自关断器件组成的电流型变换器在运行时存在以下缺点 4,5：（1）运行过程中会产生交流电容与电网阻抗谐振频率处的谐波电

19、压，谐波会导致管阀和变压器过压。（2）电流源型变换器不能实现有功功率或无功功率的独立控制，只能通过投切交流滤波器来控制无功功率。（3）换流器运行中会吸收大量的无功功率（约 到 ） 。40% 60%（4）开关频率低，需要大量的大容量滤波器来限制输出电压谐波。（5）占地面积较大。随着大功率设备逐渐增多，可关断器件的迅速发展，电压源变换器（VSC ）技术获得了越来越多的关注，它也成为工业界和学术界作为对清洁能源控制和转换的新选择。现今 VSC 技术已逐渐被商业化应用，如矿井提升机、无功补偿、船舶推进、高压直流输电（HVDC）等。相比传统高压直流输电，由电压源变换器组成的柔性直流输电系统采用脉宽调制技术和更加灵活的可关断型电力电子器件，具有以下优点 4,5：（1）可以实现对有功功率和无功功率进行独立控制，从而实现无功功率的紧急支援（起 STATCOM 功能） ，从而提高系统电压的稳定性。（2）VSC 换流器运行时开关频率较高，产生的低次谐波较少，可以大大减少滤波装置的容量，减小滤波装置体积。（3）可以向无源网络系统供电。（4）在潮流翻转时，直流电流翻转的同时直流电压的极性不发生改变。换流器间不需要其他额外设备即可通过并联构成多端直流输电系统 6,7。（5）占地面积小。