基于MMC的高压大功率DC/DC变换器拓扑与控制策略研究

海上风电作为全球风电技术的最新发展方向之一近年来备受关注。随着海上风电场装机容量及输电距离的增加,高压直流输电技术成为海上风电并网的唯一可行选择。相较于多端直流输电系统,直流电网将提供更高的供电可靠性和冗余性,更灵活的供电模式和更可靠的潮流控制方式。虽然直流电网技术带来了诸多好处,但主要挑战之一来自于如何实现多电压等级直流系统的互联。由于目前直流输电系统存在多种电压等级,如果没有DC/DC变换器,这些系统只能通过其交流侧相连,无法构成真正意义的直流电网。因此,高压大功率DC/DC变换器作为直流联网的关键设备之一,是构建未来多电压等级、多端直流电网的重要组成部分。本文紧密跟踪国内外适用于大规模间歇式可再生能源接入的多电压等级多端直流电网的研究和应用前沿,主要开展基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的高压大功率DC/DC变换器拓扑结构、运行控制策略以及故障保护策略的研究,论文选题在理论上具有一定的创新性,在应用上具有很强的实践性。具体研究内容归纳如下:分析未来直流电网对于高压大功率DC/DC变换器的技术需求,对目前国内外高压大功率DC/DC变换器的拓扑结构进行调研和归类,包括隔离型和非隔离型,并总结相应拓扑的优缺点。对MMC的基本拓扑结构进行调研和比对,并分析其工作原理,研究相应的调制及控制方法,所建MMC详细模型将用于后续高压大功率DC/DC变换器的建模与仿真分析。提出了基于子模块混合型MMC的隔离型双端口高压大功率DC/DC变换器拓扑,设计了相应的调制策略及电容电压平衡策略,并分析了直流故障隔离的原理。首先,通过对现有MMC子模块拓扑的调研,提出一种新型的、具有故障电流阻断能力的T型全桥子模块,并基于该子模块构建子模块混合型高压大功率DC/DC变换器,建立了相应数学模型,然后设计了相应的调制策略及电容电压平衡策略,该策略利用T型全桥子模块负电平输出实现直流电压下降时变换器的正常工作,保证多电压等级互联直流系统的降压稳定运行,并通过合理配置子模块,使其具有直流故障隔离能力,最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上进行了稳态和暂态仿真分析。提出了隔离型多端口高压大功率DC/DC变换器的拓扑结构,设计了相应的稳态控制策略及故障控制策略,并与直流故障隔离方案进行了比较。首先论述了多端口高压大功率DC/DC变换器的必要性,然后将多端口DC/DC应用于多电压等级海上风电并网,提出了多端口DC/DC变换器的主从控制策略。接着分析了多端口DC/DC变换器的降压运行原理,在此基础上进一步提出相应的故障控制策略,该策略可保证其各桥臂在最小全桥子模块比例下实现“直流故障穿越”,最后通过时域仿真对比故障期间直接闭锁和不闭锁故障端口时的控制效果。所提子模块配置原则将有助于研究人员根据直流电网的实际运行要求,合理配置DC/DC变换器各桥臂子模块,保证直流故障隔离的前提下进一步降低变换器的成本和运行损耗。提出了直流自耦变压器(HVDC-DC Auto Transformer,HVDC-AT)在考虑直流故障时的子模块配置原则,分析了双端口和多端口HVDC-AT的成本,并对多端口HVDC-AT在直流故障下的运行进行了全过程仿真。首先研究了HVDC-AT的运行原理,考虑各MMC桥臂电流的不同,分别计算了双端口和多端口HVDC-AT桥臂总等效功率开关器件的数量,并与相应隔离型拓扑进行了比对。然后对直流故障下HVDC-AT运行的全过程进行了分析,包括稳态运行,故障隔离和故障后恢复。最后建立了带故障特性的MMC平均值模型,在此基础上,通过时域仿真验证上述理论分析的有效性。所提分析方法将有助于研究人员根据实际直流电网的电压等级和容量,从成本的角度对高压大功率DC/DC变换器的拓扑进行选择。论文的研究成果将丰富现有直流电网运行控制与故障保护的理论框架,并且可为未来大规模海上风电基地的友好接入和多区域直流系统的互联提供重要技术支撑。