模块化多电平换流器型直流输电若干问题研究

模块化多电平换流器(MMC)是电压源换流器的一种多电平拓扑。由于MMC不需要将IGBT直接串联来提高阀的耐压等级,从而避免了大功率器件开关过程中的动态均压问题,因此非常适合在高压大功率的柔性直流输电场合应用。由于MMC-HVDC大大降低了柔性直流换流阀设备制造商的技术门槛,因此目前成为了全世界工业界和学术界的研究热点之一。虽然最近几年有大量关于MMC的研究成果公开,但相对于二电平VSC-HVDC,对MMC-HVDC的研究还处于起步阶段。本文针对子模块类型为半H桥的MMC-HVDC系统,主要研究了以下几个方面的问题： (1)在MMC低频连续数学模型的基础上,建立了MMC的交直流侧解耦等效电路。从理论上证明了二电平VSC-HVDC的交流侧外环功率控制和内环电流控制策略完全适用于MMC-HVDC系统。同时从内部电动势取值范围的角度,分析了MMC额定运行点的选取方法和稳态运行范围的确定原则。 (2)对MMC现有的几种调制方式进行了比较,提出了适用于MMC的改进载波相移调制方式和降开关频率的电容电压均衡控制算法。将该方法与最近电平控制方式相比较,分别从谐波水平、基波跟踪误差两个方面分析了各自的优缺点。 (3)研究了MMC内部环流的形成机理,从数学角度证明了环流的存在性。然后针对环流中的主要分量——二次谐波分量,利用二倍频负序旋转坐标变换,建立了dq坐标下的环流模型,并设计了相应的环流抑制控制器(CCSC),将交流环流分解为两个直流分量,并分别加以抑制。CCSC可以在不影响交流侧电流控制的情况下,消除MMC的内部环流,同时还可以减小子模块电容电压的波动范围。 (4)在分析MMC换流阀损耗构成的基础上,用曲线拟合方法对厂家的IGBT模块参数进行提取。根据IGBT的热电路模型,将结温作为反馈变量,提出了考虑结温变化的MMC损耗计算方法。最后用该方法编写了基于仿真模型的损耗计算模块,对MMC子模块各部分的损耗和半导体器件的结温进行了计算。针对较多子模块和较少子模块两种情况,进行了损耗评估,结果表明在较多子模块的情况下,可以选择较低的载波频率,并结合提出的降开关频率电容电压均衡控制算法,使MMC的开关损耗大幅下降。 (5)针对MMC-HVDC交流系统不对称故障时,直流电压中存在二次谐波的问题,设计了一种直流电压波动抑制控制器(DCVRSC)。该控制器可以在不影响交流侧负序电流控制,保持交流侧电流对称的情况下,同时消除直流侧二次谐波电压。还针对直流电压控制站交流系统故障时直流电压失控的问题,将二电平VSC-HVDC系统的低压限流单元(VDCOL)引入到MMC-HVDC系统中,并分别分析了不同类型换流站交流侧故障情况下VDCOL的工作原理。最后通过仿真算例验证,说明VDCOL可以在直流电压控制站交流侧故障情况下,保持MMC-HVDC系统直流电压的稳定和功率的连续传输,增强了系统的故障穿越能力。