模块化多电平换流器电磁暂态高效建模方法研究

【摘要】模块化多电平换流器高压直流输电(ModularMultilevelConverterbasedHighVoltageDirectCurrent,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(VoltageSourceConverterbasedHVDC,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(ElectromagneticTransient,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-BridgeSub-module,HBSM)、双箝位型子模块(Clamp-doubleSub-module,CDSM)和全桥型子模块(Full-BridgeSub-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(NearestLevelControl,NLC)和载波移相正弦脉宽调制(CarrierPhaseShiftedSinusoidalPulseWidthModulation,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(DCFaultsRide-throughCapabilityIndex,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-terminalMMC-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(DetailedModel,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(BackwardEulerMethod)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-valueModel,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。
【作者】许建中；
【导师】赵成勇；A.M.Gole；
【作者基本信息】华北电力大学，电力系统及其自动化，2014，博士
【关键词】模块化多电平换流器；电磁暂态高效建模；直流故障穿越能力指标；节点电压分析；戴维南等效；平均值模型；

【参考文献】
[1]黄春颖.功能性水性聚氨酯/CaCO_3@TiO_2复合材料的制备及性能研究[D].吉林大学,物理化学,2013,硕士.
[2]高贝宁.培养小学英语学困生反思性学习能力的行动研究[D].曲阜师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[3]罗辉.焊接机器人与变位机的协调运动规划[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[4]卫伟忠.GSM数字移动电话业务管理浅述[J].世界电信.1995(03)
[5]唐秋妩.汉语否定词“不”、“没（有）”的偏误分析及教学建议[D].西安外国语大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[6]宋歌.船舶优先权优先受偿顺位研究[D].大连海事大学,法学,2013,硕士.
[7]马瑜.基于局部时空特征码本的人体行为识别方法研究及实现[D].厦门大学,计算机技术,2014,硕士.
[8]蒋玉洁.基于共生理论的大型客机产业集聚演化机制研究[D].南京航空航天大学,数量经济学,2013,硕士.
[9]汪伟.中国大陆日本血吸虫对吡喹酮的敏感性研究[D].江苏省血吸虫病防治研究所,病原生物学,2012,硕士.
[10]李杰.以石墨烯为基础的雌激素电化学免疫传感器的研究[D].济南大学,2014.
[11]戚琳.Bi对Sn-Ag-Cu无铅钎料合金及接头组织和性能的影响[D].大连理工大学,材料学,2004,硕士.
[12]王家耀.从《中德通商条约》到《中日修好条规》[D].中国政法大学,法律史,2014,硕士.
[13]张坤胜.数据集中:银行信息化的必经之路[J].软件工程师,2002,11:56-57.
[14]赵传霖,吴文传,张伯明.基于多Agent的能量管理系统支持平台[J].电力系统自动化,2009,13:47-52.
[15]邱慧玲.麋鹿产气荚膜梭菌病的流行病学调查[D].南京农业大学,预防兽医学,2012,硕士.
[16]裴小玲.抗高原缺氧中药新药枳椇片的研究[D].第二军医大学,药理学,2013,硕士.
[17]丁仁伟.无线传感器网络中能量收集节点的研究与实现[D].北京交通大学,2014.
[18]王守成.基于自发地理信息的旅游地景观关注度研究[D].河北师范大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.
[19]苏清福.交联密度法研究室温硫化硅橡胶胶粘剂配方优化和机理[D].北京化工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[20]孙立想.胜利油田滨海地区输配电线路风振分析与防治研究[D].山东大学,电气工程及其自动化（专业学位）,2012,硕士.
[21]叶芳.聚苯乙烯—丙烯酸纳米粒子基剪切增稠液的制备与性能研究[D].中国科学技术大学,分析化学,2014,硕士.
[22]李金朋.基于Hadoop平台的重叠社区发现算法研究[D].吉林大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[23]彭大伟.某型商务车车内噪声实验测量分析与控制的研究[D].东北大学,车辆工程,2010,硕士.
[24]舍夫丘克·克里斯蒂娜.对俄汉语口语教学中电视公益广告的应用[D].黑龙江大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[25]邓富求.偏移速度分析[J].石油地球物理勘探,1979,02:58-64.
[26]王伟.结核分枝杆菌oplA基因功能研究&结核分枝杆菌HBHA蛋白在妇科结核病血清学诊断中的价值研究[D].北京市结核病胸部肿瘤研究所,免疫学,2014,博士.
[27]王永凯.石墨烯/环氧树脂基复合材料的制备与性能研究[D].郑州大学,材料工程（专业学位）,2013,硕士.
[28]王文君.基于小波包的遥感图像半脆弱性数字水印[D].燕山大学,电路与系统,2004,硕士.
[29]李猛.数字多媒体文件格式与数字多媒体技术未来应用趋势研究[D].东北师范大学,广播电视艺术学,2012,硕士.
[30]张欢.天生国际化企业国际创业能力、动态能力与企业绩效的关系研究[D].吉林大学,国际贸易学,2014,硕士.
[31]黄迪生,张心耘,任海霞,刘炜,赵恒,李晓波,姜剑,杨维明,王可,彭旭,胡玉文,胡其登,张慧,张蕾,江彦,白云川,丁常彦,王征.创新设计正当时——三维CAD普及与深化应用研讨纪实[J].中国制造业信息化.2006(10)
[32]吉宇杰.巯基乙酸辅助水热法制备硫化物纳米结构及其表征[D].浙江大学,材料物理与化学,2004,硕士.
[33]王梅霖.电力需求侧管理研究[D].北京交通大学,2011.
[34]徐振兴.基于县域单元的山东省城市现代化空间格局研究[D].山东建筑大学,城市规划与设计,2013,硕士.
[35]尼加提·阿布都逊.新疆库鲁克塔格晚古生代中期花岗岩地质特征及构造意义[D].新疆大学,矿产普查与勘探,2013,硕士.
[36]张黎黎.青花菜黑腐病抗性遗传及其防御酶活性和超微结构变化的研究[D].内蒙古农业大学,植物学,2013,硕士.
[37]许丽英.水+四氢呋喃+萃取剂体系汽液平衡性质研究[D].浙江工业大学,2012.
[38]胡忠.国内外氟化铝的技术进步与展望[J].轻金属.1992(08)
[39]王元.西汉青铜酒器初探[D].南京师范大学,中国古代史,2012,硕士.
[40]杜萍.转基因产品侵权法律问题研究[D].西南政法大学,经济法,2012,硕士.
[41]范雪梅,姜东,戴廷波,荆奇,曹卫星.花后干旱和渍水对不同品质类型小麦籽粒品质形成的影响[J].植物生态学报,2004,05:680-685.
[42]王紫微.情绪复杂性量表的修订与相关研究[D].河北师范大学,发展与教育心理学,2013,硕士.
[43]翁路成.基于网络技术的嵌入式图像采集系统设计[D].苏州大学,电子与通信工程（专业学位）,2014,硕士.
[44]杨华.钢铁行业信息系统经营管理模式的研究[D].大连理工大学,机械制造及其自动化,2004,硕士.
[45]郑宁娟.基于哒嗪并四硫富瓦烯结构的T-型有机共轭体的合成及其性质研究[D].延边大学,有机化学,2014,博士.
[46]陈香.外商直接投资对中国出口贸易影响机制研究[D].大连理工大学,2004.
[47]陈晶晶,高成章.新型上卸套筒机械手简介[J].一重技术.2007(06)
[48]沈达.KW公司油田安防监控系统集成市场营销策略研究[D].西北大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[49]冯霞.基于三电平技术的三相四线制APF研制[D].浙江大学,2014.
[50]汪剑.大跨预应力混凝土连续梁桥施工控制研究及温度效应分析[D].湖南大学,桥梁与隧道工程,2003,硕士.