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【精彩論文推薦】華中科技大學 文勁宇等:混合型模塊化多電平換流器解析建模與功率運行區間分析

電力系統自動化 2022-05-09 10:36:02

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原文發表在《電力系統自動化》2018年第42卷第7期“電力系統柔性一次設備關鍵技術”專刊,歡迎品讀。



本文引文信息

魯曉軍, 向往, 林衛星, 等. 混合型模塊化多電平換流器解析建模與功率運行區間分析 [J]. 電力系統自動化, 2018, 42(7): 76-84. DOI: 10.7500/ AEPS20170906004.

LU Xiaojun, XIANG Wang, LIN Weixing, et al. Analysis on analytical Modeling and Power Operating Zone of Hybrid Modular Multilevel Converter [J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(7): 76-84. DOI: 10.7500/ AEPS20170906004.




混合型模塊化多電平換流器解析建模與功率運行區間分析

DOI: 10.7500/AEPS20170906004

魯曉軍,向往,林衛星,文勁宇



1 研究背景


基于模塊化多電平換流器(MMC)的架空線高壓柔性直流輸電是未來高壓直流輸電的發展方向之一。由半橋子模塊(HBSM)構成的半橋型MMC不具備直流故障處理能力,在直流輸電發生故障時需依靠昂貴的高壓大容量直流斷路器隔離故障。由半橋子模塊和全橋子模塊構成的混合型MMC具備交直流解耦控制能力,能夠不閉鎖穿越直流故障,并且具備持續運行能力,在架空線柔性直流輸電領域具有應用前景。


目前已有文獻大多針對混合型MMC的拓撲單元設計和直流故障穿越控制等方面,鮮有文獻設計混合型MMC的解析建模與運行區間分析。混合型MMC的拓撲構成和控制性能與半橋型MMC有較大不同,無法將半橋型MMC的解析模型直接應用于混合型MMC。為定量分析混合型MMC的運行特性,本文基于混合型MMC的基本控制框架和半橋型MMC的動態相量建模思想,提出了混合型MMC的動態解析模型和穩態解析模型。



2 所解決的問題及意義


圍繞混合型MMC的解析建模問題,推導了考慮混合型MMC內部電氣動態和調制信號的動態以及穩態解析模型。其中,動態解析模型可方便地與換流器控制系統、直流網絡和交流系統的狀態空間模型對接進而得到整體的狀態空間模型及小信號模型。穩態解析模型實現了混合型MMC在任意給定工作點下的完全解析求解,如子模塊總電容電壓、橋臂電流、調制信號等電氣量和控制量的穩態值,為混合型MMC參數設計及運行特性分析提供了理論工具。



3 重點內容


1)混合型MMC動態解析模型

如圖1所示,混合型MMC的基本控制包括交流電流控制、二倍頻環流抑制控制和直流電流控制三個控制環路,對應地會產生基頻、二倍頻和直流調制信號。而半橋型MMC的調制信號僅包含基頻和二倍頻變量成分。假設混合型MMC與半橋型MMC各電氣量所含的主導頻率成分相同,二者的運行特性差異主要體現在調制信號和控制策略不同。根據旋轉坐標系下動態相量建模思想,只需將半橋型MMC的動態解析模型中的調制信號表達式替換為混合型MMC的調制信號表達式,即可得到混合型MMC的動態解析模型。


模型的狀態變量包括子模塊總電容電壓的二倍頻、基頻和直流分量以及橋臂環流的二倍頻和直流分量在旋轉坐標系下的坐標軸分量,因此模型的階數為8階。輸入量為交流電流和直流電壓。由于該狀態空間模型的矩陣在穩態時為常數,因此模型可以直接線性化得到小信號模型。矩陣中各元素的穩態值則需要通過下一節介紹的穩態解析模型求解。

圖1 ?混合型MMC的基本控制框圖


2)混合型MMC的穩態解析模型

將動態解析模型中的導數項置零,即可得到混合型MMC的穩態解析模型,一共包含8個非線性代數方程,而未知量包括電氣量與調制信號等一共10個。因此還需要根據已知條件構造2個等式約束條件,才能求解全部未知變量。


若已知條件為交流電流,則可根據混合型MMC交流側等效電路首先求得橋臂內電勢,進而根據旋轉坐標系下橋臂內電勢與子模塊總電容電壓和調制信號的計算式得到2個等式約束條件。當已知條件為其他條件時,可以類似地尋找和構造出2個等式約束條件,進而聯立穩態解析模型,求解得到模型的全部未知變量。


3)混合型MMC功率運行區間分析

換流站在運行中需要滿足電氣量和控制量的各項約束條件,利用混合型MMC穩態模型解析地計算換流器在不同直流電壓和功率運行點的各電氣量和控制量的穩態值,將工程中考慮的各項約束條件轉化為相應電氣量與控制量的數學表達式,即可得到可行功率運行區間,并可定量分析各項約束條件及換流站參數對運行區間的影響。


半橋型MMC的常見運行約束條件包括交流調制比、橋臂電流、子模塊電容電壓波動、交流電流和直流電流等約束。對于混合型MMC而言,除了前述約束條件,由于混合型MMC可運行于低直流電壓下,此時橋臂電流的直流偏置較大,因此還需要考慮橋臂子模塊的均壓約束,即當橋臂有半橋子模塊投入時,橋臂電流在一個周期內需要包含正、負分量以使得半橋子模塊電容能夠充放電,避免單向的橋臂電流使得投入的半橋子模塊電容一直處于充電或放電狀態,無法實現子模塊的電容電壓平衡。當橋臂輸出電壓大于全橋子模塊能夠產生的最大電壓時,此時需要半橋子模塊投入,橋臂電流應滿足雙向要求,即最大值大于0并且最小值小于0。


計算混合型MMC的可行運行區間流程圖如圖2所示。首先選定直流電壓水平,選取某一運行點(圖中給出的直流電流+無功功率的形式)。根據穩態解析模型求解全部未知變量,判斷該運行點是否滿足全部約束條件,記錄或舍棄該運行點。根據預設值的掃描步長,計算、核查下一個運行點。最終可以得到混合型MMC可行功率運行點的集合。

圖2 ?計算功率運行區間流程圖


4)直流電壓對功率運行區間影響分析

不同直流電壓水平下換流站的可行功率運行區間及各約束條件形成的邊界如圖3所示。通過定量計算發現,當直流電壓大于換流器閥側交流相電壓幅值時,橋臂電流自然滿足雙向條件,不再受子模塊均壓約束影響。

圖3 ?不同直流電壓水平下功率運行區間


5)換流器參數對功率運行區間影響分析

橋臂電抗器、子模塊電容和全橋子模塊比例對功率運行區間的影響如圖4所示。不同參數設置情況下功率運行區間的邊界在圖中加粗顯示。可以看到,由于低直流電壓下子模塊均壓約束起主導作用,因此適當提高全橋子模塊比例可明顯增大功率運行范圍,但是其也存在飽和點(本文算例中為61%)。

圖4 ?換流器參數對功率運行區間影響


4 結論


本文推導了混合型MMC的動態及穩態解析模型,提出了混合型MMC可行功率運行區間的計算方法,并分析了參數對功率運行區間的影響。得到的結論有:


1)本文所提出的動態解析模型可以方便地與外部系統狀態空間模型接口,從而構建基于混合型MMC的柔性直流電網整體狀態空間模型和小信號模型。


2)本文所提出的穩態解析模型提供了定量分析混合型MMC運行特性的理論工具。


3)混合型MMC在低直流電壓下的運行區間并不對稱,發出無功功率的可行性比吸收無功功率的可行性更高,這主要受子模塊均壓約束影響。


4)提高全橋子模塊比例是擴大混合型MMC在低直流電壓下的可行功率運行區間的有效方法,但是擴大效應存在飽和點。



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《電力系統自動化》2018年第7期目次


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作者及團隊介紹


魯曉軍,華中科技大學電氣與電子工程學院博士研究生,主要研究方向為柔性直流換流器建模和直流電網穩定性分析等。


向往,博士,華中科技大學電氣與電子工程學院博士后,入選“博士后創新人才支持計劃”。以第一作者/通訊作者發表SCI/Ei論文25篇,其中SCI論文9篇。目前為SGO課題組直流輸電研究團隊負責人之一。主要研究方向為柔性直流輸電技術、直流電網、交直流電網運行與控制等。


林衛星,博士,特變電工新疆新能源公司HVDC產品線總監。已發表70多篇SCI/Ei論文。研究方向為直流-直流自耦變壓器、直流-直流變換器、直流輸電、直流電網、模塊化多電平換流器、風力發電等。


文勁宇,博士,華中科技大學電氣與電子工程學院院長,,中國電力教育大學院(校)長聯席會主席,中國電機工程學會咨詢工作委員會委員,湖北省電機工程學會副理事長。2013年主持完成了國家自然科學基金電工學科第一個與儲能相關的重點項目,2017年主持國家自然科學基金智能電網聯合基金重點支持項目。長期致力于采用儲能、直流電網等新技術解決大規模可再生能源并網的問題,積極開拓含新能源的電力系統規劃與運行方向。先后參與并獲國家科技進步一等獎1次、二等獎1次,省部級一等獎2次、二等獎4次;發表論文300多篇,其中ESI高被引論文2篇,入選F5000論文5篇,獲得國家發明專利21項,美國專利2項。


華中科技大學電氣與電子工程學院SGO(思構)課題組(即“智能電網運行與控制”課題組)是中國科學院院士、IEEE Fellow程時杰教授1988年留學回國后創建的,經過近30年的發展,已成為在國內學術界和工業界具有較大影響力、并具有一定國際影響力的高水平課題組,為國家培養了300多名博士后、博士和碩士等高級專門人才,以及10多名外國留學生。研究團隊由一批充滿活力、擁有海內外科研背景的中青年專家、博士后、博士碩士研究生組成。近年來課題組發展迅猛,現已有80余名各類研究人員,、副教授2名、博士后6名。課題組先后獲得國家科技進步一等獎1項,二等獎3項,國家級教學成果二等獎1項,省部級自然科學一等獎1項、科技進步一等獎2項,其他獎勵多項。在國內外學術期刊和國際會議上發表論文500多篇,出版專著2部、譯著1部,獲得專利和軟件版權20多項。目前課題組主要有大電網大機組安全穩定控制、儲能與新能源并網、直流輸電和直流電網三個特色研究方向。


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