适用于架空线路传输的MMC拓扑结构及关键技术研究

近年来,随着环境问题的日益严重和能源消费格局变革的迫切需求,开发并外送大规模可再生能源是完成节能减排目标、优化电源布局的重要手段。基于模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术具有模块化结构、易于拓展、有功无功控制解耦、能连接无源电网、低损耗和低开关频率等优点,是实现大规模新能源并网的优选方案。由于传输距离远,采用架空线路进行电能传输是必然选择。架空线路故障率高,现有工程应用的模块化多电平换流器绝大部分采用半桥型子模块技术,不具备直流故障处理能力。为解决架空线路直流故障的问题,可采用高压大功率直流断路器隔离直流故障。但现有直流断路器技术尚不成熟,不能商业应用。因此,需研究具备直流故障处理能力的新型MMC拓扑。本文围绕柔性直流输电技术应用于架空线输电场合,从子模块、换流器和直流系统层面,系统研究了新型MMC拓扑方案、运行控制方法及高效电磁暂态建模等关键技术问题,主要工作如下:(1)对柔性直流输电技术的发展背景和应用场合进行了简要回顾。针对柔性直流输电技术应用于架空线传输场合,分析了采用高压大功率直流断路器和具备直流故障处理能力的新型MMC拓扑两种技术路线的特点。针对具备直流故障处理能力的新型MMC拓扑,归纳了闭锁阻断型MMC子模块拓扑、无闭锁穿越型子模块拓扑与组合型换流器拓扑方案及其运行控制、高效电磁暂态建模等关键技术问题。(2)针对闭锁阻断型子模块拓扑,分析了现有子模块拓扑方案的故障隔离机理和特点。为解决现有方案可控电力电子器件数目多、成本高以及部分方案带来的触发同时性问题,提出了 2种自阻型子模块(Self-blockingsub-module,SBSM)拓扑。为进一步降低MMC成本,还提出了由自阻型子模块和半桥型子模块构成的自阻型MMC拓扑。相比于常规半桥型MMC,自阻型MMC所需可控电力电子器件数量仅增加25%,损耗仅增加32%,即具备隔离直流故障电流的功能,具有良好的工业应用价值。通过PSCAD/EMTDC下的仿真,验证了所提出的自阻型子模块及自阻型换流器能有效隔离直流故障。(3)针对大规模MMC仿真效率低下的问题,以自阻型MMC为例,研究了新型MMC的高效电磁暂态建模方法。该等值模型计及了每个子模块动态过程,采用受控电压源形式等效桥臂所有子模块的输出,可有效模拟IGBT闭锁和正常运行工况。仿真结果表明,等值模型大大提高了仿真速度。该建模方法亦可应用于其他新型MMC拓扑。(4)研究了无闭锁穿越型子模块拓扑方案及其运行控制方法。用于解决闭锁阻断型子模块在故障期间需要闭锁,不能给交流系统提供支撑且重启动时间较慢的问题。设计了基于全桥型子模块和半桥型子模块的混合型MMC交直流调制方法。为实现混合型MMC在直流电压不对称和单极接地故障时不间断运行,设计了分极控制器和单极接地故障穿越策略,实现了正、负极桥臂输出电压的独立控制。通过PSCAD/EMTDC下的仿真,验证了混合型MMC具备直流电压不对称运行和直流故障穿越能力,在故障期间持续给交流系统提供无功支撑。(5)从换流器层面,分析了采用不同换流器技术构成的组合型换流器的运行特性与经济性。研究了由全桥型子模块和两电平换流器组成的混合交流级联型换流器的拓扑结构与工作原理,设计了导通开关和整形电路的调制策略。针对不对称基频调制方法,通过功率分析推导了全桥型子模块数目的设计方法和子模块电容的参数设计方法。分析对比了混合交流级联型换流器和其他类型MMC的性能和成本。通过仿真分析,验证了所提控制策略和设计方法的有效性。(6)从直流输电系统层面,分析对比了基于混合式高压直流断路器和基于新型MMC拓扑两种技术路线的故障保护方案。设计了半桥型MMC和混合式高压直流断路器的配合策略与重合闸时序;提出了基于混合型MMC和快速机械开关的直流电网直流故障不间断运行方法,设计了重合闸时序。仿真结果表明,采用混合式高压直流断路器方案,可快速切除直流故障,非故障系统可继续运行,但对直流断路器的动作时间提出了很高的要求。采用无闭锁穿越型MMC方案,可实现故障期间不间断运行、不会发生过压过流现象,故障后能快速恢复。大大降低了直流断路器动作速度和开断能力的需求。