应用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流器的研究

柔性直流输电(Voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)在可再生能源发电并网和孤岛供电等领域有巨大的优势使它得到广泛的研究与应用。电压源换流器是VSC-HVDC的核心组成部分,其中模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)以其独特的模块化和可扩展性成为大功率远距离直流输电系统中最具潜力的换流器拓扑结构。该文以MMC-HVDC系统为研究对象,主要对MMC的拓扑结构、子模块电容电压均衡、循环电流抑制以及控制策略等问题进行深入研究。首先,详细介绍了MMC的工作原理、数学模型及运行特性,分析了MMC常用的两种调制策略(即最近电平调制和载波移相调制)的工作原理和适用范围,并针对这两种调制技术分别引出其适用的子模块电容电压均衡控制方法,还就MMC普遍存在的循环电流问题,分析了其产生机理及抑制技术。其次,该文对三种传统的模块化多电平换流器——半桥子模块、全桥子模块、箝位双子模块的拓扑结构、工作原理、直流故障穿越能力等方面作详细的对比分析,总结出不同子模块的优缺点。在此基础上,提出一种混合型MMC,它是由全桥子模块和半桥子模块共同组成MMC的上下桥臂,重点阐述了其基本参数选取原则,设计了适用于混合型MMC拓扑的改进的子模块电容电压均衡方法,并分析了在直流电压下降情况下该系统良好的运行特性。最后通过仿真验证了混合型MMC和改进的电容均压策略的可行性和有效性,指出混合型MMC不仅具备直流侧故障穿越的能力,还具有更高的设备利用率和更低的功率损耗,具有较好的应用前景。最后,阐述了MMC-HVDC控制的基本原理,建立MMC-HVDC在dq旋转坐标下的数学模型并设计了直接电流控制器,针对直接电流控制在实际MMC-HVDC应用中,控制复杂且计算量大等缺陷,提出一种模型预测控制策略。该策略根据MMC-HVDC的离散时间数学模型,开发对应于离散时间模型的预测模型,通过求解一个最优化问题,得到每个MMC单元中最佳的开关状态,来抑制循环电流,并通过冗余开关状态实现电容电压平衡。仿真结果表明,基于模型预测控制策略的MMC-HVDC系统运行更理想,实现过程容易且简单。