模块化多电平vsc

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1、模块化多电平VSC第1章绪论1.1VSC-HVDC技术现状与发展趋势随着全球应对气候变化要求日益迫切、能源紧缺及能源供给安全形势日趋严峻，世界能源发展进入了新一轮战略调整期。发达国家和许多新兴市场国家在提高传统化石能源开釆和利用率的同时，大力幵发和利用以风能、太阳能为代表的清洁可再生能源，以优化各国能源结构⑴。截至2010年底，全球可再生能源（不包含水电）发电装机容量已达3.12亿千瓦，其中风力发电装机容量2亿千瓦，光伏发电装机容量0.4亿千瓦[2_3]。根据规划，到2020年我国风电装机总容量将超过2亿千瓦，光伏发电装机容量有望达到

2、0.2亿千瓦；到2050年我国可再生能源利用将达到总能源比例的40%，成为占主要地位的能源形式[4_5]。然而，由于具有分散性、间歇性、远离主电网等特点，可再生能源发电在采用传统的交流输电或常规高压直流输电技术接入时会给电力系统带来一系列新的问题和挑战，突出表现为并网稳定性问题，其根本原因是可再生能源的间歇特性决定了其功率的波动性。如何实现可再生能源经济、环保、可靠的方式接入电网成为亟待解决的关键性问题。为此，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年）》⑴明确指出：为了满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，在坚

3、持节能优先、降低能耗的同时，要推进能源结构多元化，提高能源区域优化配置的技术能力，开发安全可靠、高效率的先进电力输配技术。1.2MMC-HVDC换流器控制策略优化研究的必要性1.2.1MMC能量平衡的分类直流电容能量的稳定平衡是换流器正常运行前提。相比于两电平拓扑，MMC的直流储能单元分散于各个桥臂之中，使得直流储能单元的能量（即电压）平衡难度大大增加。根据能量平衡关系，MMC直流储能单元的能量平衡可以分为：桥臂内子模块能量平衡、上下桥臂间子模块能量平衡、相间能量平衡和总的子模块能量平衡。其中，桥臂内子模块能量平衡是其他三类平衡控制的

4、基础。需要指出的是这里所述能量的平衡是一种相对平衡，指的是子模块间、上下桥臂间、相单元之间或者交直流系统之间功率差的稳定不变，而不是能量数值的绝对相等。桥臂内各子模块的平衡是通过控制各子模块周期内投入和切除的时间来实现的，其通常是一种微调过程，并不明显改变桥臂电压的输出。上下桥臂能量平衡与否则反映的是周期内交流侧各相有功功率在同相间上下桥臂的传递情况，而上下桥臂能量之间差异的改变是通过调节桥臂交流电流分布大小来实现的。相间能量差异的改变是通过调节桥臂电流直流分量的大小来实现的，各相单元传递的有功功率与交流系统各相馈入换流站的有功功率有

5、关，三相之间具有一定的独立性，相间能量差异的改变不会影响系统的稳定运行。此外，同交流系统类似，三相桥臂之间的无功功率交换也是以二倍频形式出现的，二倍频功率的出现引起了二倍频环流的产生。由于二倍频环流是无功功率交换引起的，因此不会造成三相间能量差异的变化。总的子模块能量平衡则反映的是交直流系统功率的平衡，总的子模块能量的改变是通过调节直流电流或交流侧电流来得以实现的，同相间能量一样，总的能量改变不会影响系统的稳定运行。由此可见，横向能量是一种可调节的能量。..第2章MMC-HVDC的数学模型2.1引言MMC-HVDC数学建模是系统运行特

6、性分析、控制策略和具体控制器设计的基础环节。换流器工作机理的不同决定了MMC-HVDC系统与基于两电平VSC-HVDC系统暂态特性的差别，因此MMC-HVDC系统建模的重点在于换流器自身的数学模型。遵循基于可关断器件的电力电子系统的一般建模方法电压源换流器数学建模的一般步骤包括：根据系统等值电路得到三相静止坐标系下的开关函数高频数学模型[81];根据开关周期平均化理论得到三相平均化模型；由平均化模型得到的线性化的交流小信号模型或者简化低频动态数学模型；并最终转换到c/gO同步旋转坐标系下，以方便交流电流等控制器设计。由于子模块电容电压

7、等内部变量直接影响着MMC的电压输出，因此更应注重对其内部变量的数学建模[85]。但随着子模块数量的增加，MMC内部变量也随之增多，建模过程也更为复杂。为了简化分析过程，在分析子模块电容电压波动、桥臂环流等变量的动态特性时，一般忽略子模块状态切换的微妙级电磁暂态过程，并将桥臂子模块视为整体予以考虑[82_85]。从现有研究文献来看，MMC的数学建模大多基于对称工况[82_85]。在非对称工况的建模方面，绝大多数仅考虑了交流电网电压的非对称且对换流器内部的建模不够全面。本章在现有研究成果的基础上，建立了MMC的状态平均模型；通过对平均化

8、模型局部线性化，建立了MMC桥臂交流小信号模型；在平均化模型的基础上还简化得到了对称和两种典型非对称故障下的内部变量低频模型和等效直流电压模型；基于对称分量理论，建立了电网电压非对称工况下的交流正、负和零序低频动态模型。