关键词:
模块化多电平换流器
电容电压平衡
环流抑制
模型预测
高压直流输电
摘要:
高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)是关键电力传输技术,有输电容量大、距离远、损耗低、可隔离交流故障等优势,在跨区域大容量输电中意义重大。基于电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)的HVDC难以满足高电压大容量需求,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)凭借灵活性好、扩展性强、电能质量调节出色,成为现代HVDC前沿技术,在可再生能源并网等领域潜力巨大。本文以基于MMC的HVDC为对象展开研究。
首先对比MMC拓扑结构,分析不同子模块优劣势,阐述子模块工作状态与MMC工作原理,构建数学模型并列出子模块参数方程,并分析常用的载波移相正弦脉宽(Carrier Phase Shifted-Sinusoidal Pulse Width Modulation,CPS-SPWM)和最近电平逼近(Nearest Level Modulation,NLM)调制策略。
其次,针对MMC的电容电压不平衡与环流问题,阐述其产生原理,搭建仿真模型。引入基于拆分冒泡排序法的电容电压平衡控制策略,提升均压效率;利用陷波器、准比例谐振(Quasi-Proportional Resonant,QPR)控制器及虚拟阻抗,抑制环流中的二倍频及高倍频偶次谐波。
再次,分析MMC-HVDC控制策略的理论架构与内在原理,构建其于d、q旋转坐标系下的数学模型。设计直接电流控制器,并借助前馈解耦技术分别构建电流内环与功率外环。同时,将拆分冒泡排序法的电容电压平衡控制策略、加入虚拟阻抗+QPR控制的环流抑制策略运用到高压直流输电系统中搭建仿真,验证其具有可行性。
最后,考虑到直接电流控制器在网侧电压不平衡情况下参数整定困难等问题,本文引入一种基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的MMC-HVDC网侧电压不平衡时多目标控制策略,运用MPC的多目标约束能力实现多目标控制。该策略可以抑制负序电流、有功和无功功率波动,适应不同情况下的需求。基于MATLAB 2019b搭建21电平MMC-HVDC系统,仿真验证控制策略具有可行性。