模块化多电平换流器高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current, MMC-HVDC)以其独特的技术优势,已成为未来电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter based HVDC, VSC-HVDC)领域的发展趋势,将在我国电力系统中发挥重大作用。与两电平、三电平VSC-HVDC在电磁暂态(Electromagnetic Transient, EMT)仿真中采用单个器件代表整个换流阀不同,高电压、大功率的MMC-HVDC在电磁暂态仿真中必须单独仿真超大数量的开关器件,导致仿真速度非常缓慢,使得MMC-HVDC一次电路参数选取及控制系统参数的优化变得非常困难,很大地阻碍了高电平MMC-HVDC的研究进展及工程化应用。因此,深入分析MMC-HVDC的运行特性,研究开发在保证其系统仿真精度的前提下的高效建模方法,具有重大的理论及工程意义。论文针对模块化多电平换流器电磁暂态高效建模方法进行全面深入的基础研究。1) MMC-HVDC拓扑机制及运行特性研究为了研究MMC-HVDC的电磁暂态高效建模方法,首先分析了MMC的通用拓扑结构及三种常见子模块,也即半桥型子模块(Half-Bridge Sub-module, HBSM)、双箝位型子模块(Clamp-double Sub-module, CDSM)和全桥型子模块(Full-Bridge Sub-module, FBSM)的拓扑结构和工作模式。其次从理论上证明了不同子模块结构的MMC均适用传统同步旋转坐标系下的站级解耦控制策略,并推导了该策略在MMC中的具体表达式。进而分别介绍了传统的基于最近电平逼近控制(Nearest Level Control, NLC)和载波移相正弦脉宽调制(Carrier Phase Shifted Sinusoidal Pulse Width Modulation, CPS-SPWM)的MMC调制和电容电压平衡控制策略。基于上述MMC站级解耦控制及调制均压策略,不同子模块结构的MMC均可以构造闭环MMC型VSC-HVDC系统。三种MMC子模块的最大区别在于切断双极直流短路故障引起的短路电流的能力不同,为了精确评估不同结构MMC切断直流故障电流的能力,提出了MMC-HVDC的直流故障穿越能力指标(DCFaults Ride-through Capability Index, DFRTI)。仿真结果表明,在相同的系统参数下, DFRTI(FBSM)> DFRTI(CDSM)>DFRTI(HBSM).以采用FBSM的3端MMC-HVDC为例,提出了具备直流故障穿越能力的多端MMC-HVDC (Multi-terminal MMC-HVDC, MMC-MTDC)系统的直流故障线路定位和隔离以及快速功率恢复的控制策略,PSCAD/EMTDC下的仿真验证了所提出控制策略的正确性和有效性。2)基于受控源的MMC通用建模方法研究.在仿真超大规模MMC所包含的大量子模块的开关器件时,PSCAD/EMTDC等电磁暂态仿真软件需要不断地对超高阶导纳矩阵求逆,这是其在电磁暂态仿真中速度非常缓慢的本质原因。因此,全部MMC的仿真提速模型都需要在保证仿真精度的前提下对高阶导纳矩阵进行降阶求解。根据节点电压分析法,提出了基于受控源的MMC电磁暂态仿真提速模型,其本质为将求解MMC的每个桥臂所对应的超高阶矩阵转化为求解与桥臂内子模块数目相同的小矩阵,并使其与原有矩阵同解。因此,所提出的MMC模型可以在显著提升仿真速度的同时,精确等效MMC的外特性以及子模块的电容电压充放电过程等内部特性。所提出的模型完全采用电磁暂态仿真平台模型库中的已有元件,无需用户自定义；同时,采用节点电压法证明了该模型与原有详细模型同解,且由证明过程的一般性可知,所提出模型不仅适用于三种常见MMC在PSCAD/EMTDC下的仿真,对其余MMC结构以及诸如MATLAB/SIMULINK等电磁暂态仿真平台都具有很强的通用性。在PSCAD/EMTDC中搭建的不同电平数半桥型MMC模型验证了所提出模型的仿真精度及提速效果。3)基于戴维南等效的MMC整体建模方法研究在上述基于受控源的MMC通用仿真提速模型中,由于不需要用户自定义,模型中所采用的开关元件与详细模型完全相同,因此其必须与详细模型(Detailed Model, DM)采用完全相同的调制及电容电压平衡控制方法。然而,MMC-HVDC不同于两电平、三电平VSC-HVDC的一个显著特点是复杂的调制及电容电压平衡控制算法,仿真表明,控制算法的复杂度已成为制约MMC的电磁暂态仿真效率的重要因素。因此,有必要以用户自定义的形式开发MMC等效模型,并提出一种计算效率较高的MMC子模块电容均压算法。分别以基于HBSM和FBSM的MMC为例,采用后退欧拉法(Backward Euler Method)将每个子模块的电容离散化为戴维南电压源和电阻的串联,并假设子模块中的开关器件在断开状态时为理想器件(即无穷大电阻),因此在对MMC一次电路求解时的计算量得到大大简化。同时,由于采用后退欧拉法,每个子模块电容电压的瞬时值只取决于子模块当前步长的投切状态。基于上述假设,提出了一种计算复杂度与桥臂子模块个数相同的MMC高效排序均压方法,并介绍了所提出MMC整体建模的闭锁功能实现方法,使其具备仿真换流器的启动与直流故障闭锁等功能。上述换流器及均压算法的整体建模,使MMC的计算复杂度随电平数线性变化。仿真验证表明,所提出的MMC模型及排序均压算法均具有极高的仿真精度并在上千电平时与MMC平均值模型(Averaged-value Model, AVM)的仿真效率具有可比性。最后,将所提出的整体建模方法应用到了全桥型MMC中并进行了仿真验证。4)MMC平均值模型在直流电网中的应用研究在前述两类MMC模型中,子模块电容充放电特性得以精确体现,因此其外部特性与MMC详细模型完全相同。然而,MMC的平均值模型分别采用受控电压源与电流源来等效MMC详细模型的交、直流侧,且采用平均化技术,只有一个直流侧等效电容,因此其无法仿真详细模型内部每个子模块的充放电特性,一般用于多端直流电网的系统级高效仿真。由于MMC详细模型的非线性运行特性非常复杂,而平均值模型对其进行了很大的简化,因此分析研究平均值模型的适用性是很有意义的。以采用MMC详细模型搭建的4端直流电网为基准,对比发现平均值模型有效的前提是相对应的详细模型中的子模块电容值足够大,以使其全部电容电压几乎恒定。同时,分析发现不同的MMC调制及均压算法对平均值模型的适用性无明显影响,但使用平均值模型所带来的加速比却随着调制均压算法的计算复杂度而上升。同时,原有平均值模型无法精确仿真直流故障特性及换流器闭锁等多端直流电网仿真中的必备功能。为了弥补这一不足,提出了改进平均值模型拓扑,仿真表明其可以满足直流电网的各种仿真需求。虽然本文以半桥型MMC平均值模型为例,但是所提出的平均值模型适用性分析方法和拓扑改进措施对另外两种MMC平均值模型也具有理论指导意义。
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