基于MMC的轻型高压直流输电系统的建模与控制

L
di d dt
=
-
Rid +
L i q + U sd - ud
( 2)
L
di q dt
=-
Ri q -
Li d + Usq - uq
式中: id 、iq 为电网电流的 d 、q 轴分量; 为电
网电压角速度; U sd 、Usq 为电网电压的 d 、q 轴分量;
U d 、Uq 为 MM C 输出电压的 d、q 轴分量。
3
所示,
u
* C
为子模块电容电压参
考值, uCj a为 M MC 的 a 相各 串联子模 块电容电 压
值, K 为比例环节; 稳压控制基于上、下桥臂电流 iPa 和 iN a, u*Bja 其极性取决于 i Pa 或 i Na 。
图 3 子模块桥臂稳压控制器结构
当上桥臂某子模块电容电压 u*C > uCja 时, 子模
通, 此时子模块输出电压为电容电压。
在开通状态下, 桥臂电压与电流极性相同, 对子
模块充电, 电容电压上升, 而在关断状态, 桥臂电压
与电流极性相反, 子模块放电, 电容电压下降。为保
证 MM C 的正常工作, 需要保持电容电压的稳定, 所
以需要控制各子模块电容电压 uC 。子模块 桥臂稳
压控制器结构如图
式( 2) 即为 M M C- H VDC 输电系统的单端系
统数学模型。MM C 是由很多子模块 串联而成, 为
方便描述 M M C 的子模块数学模型, 给出如图 2 所
示的 MM C 主电路 a 相拓扑结构, P 为 MM C 直流
侧正母线, N 为 M MC 直流侧负母线, o 为直流侧假
想中性点。
第 10 期 2011 年 10 月
工矿自动化
Industr y and M ine A utomation
No. 10 O ct . 2011
文章编号: 1671- 251X( 2011) 10- 0034- 05
DOI: CNKI: 32- 1627/ T P. 20110922. 1318.ຫໍສະໝຸດ 010( b) 子模块拓扑结构
图 2 M M C 主电路 a 相拓扑结构
根据图 2 可得
2n
U dc =
uja +
j= 1
Ls
d dt
iPa + iNa
( 3)
uPa =
1 2
Udc
-
uao
( 4)
uN a =
1 2
Udc
+
uao
式中: uao为 ao 点相电压; uPa 、uN a 分别为 a 相上、 下桥臂电压; iPa、iN a分别为 a 相上、下桥臂电流。
8
2 0
L
s
( 6)
I sum =
U 2f 4 0Ls
( 7)
式 中: P s 为 换 流 站 视 在 功 率, P s = Udc I dc/
cos ; 0 为交流电源基波角频率; u- C 为各相子模块
块向桥臂释放有功功率, 对应的子模块进行放电, 电
容电压下降, 直到上桥臂各子模块电容电压自动均
衡; 当
iPa >
0 时,
iPa 和
u* Bja
的乘积为负,
子模块释放
有功功率; 当
iPa <
0
时,
u* Bja
为正,
i
Pa
与
u*Bja 的乘积仍
为负, 子模块释放有功功率。下桥臂工作原理相同。
在图 3 中, 记 izh( h= a、b、c) 为每相桥臂的直流分量,
基于 MMC 的轻型高压直流输电系统的 建模与控制
郭家虎1, 2 , 廖其艳1
( 1. 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001; 2. 上海交通大学风力发电研究中心, 上海 200240)
摘要: 针对基于电压源变换器 VSC 的高压直流 H VDC 输电系统存在输出电压低次谐波含量多、需要体
一是子模块的控制, 可称之为装置级控制; 二是整个
MM C- H VDC 输电系统的控制, 可称之为 系统控
制。以下对这 2 个部分作详细研究。
2. 1 装置级控制
MM C 中的每个子模块都有开通和关断 2 种工
作状态。开通状态: 即上管开通而下管关断, 此时子
模块输出电压为零; 关断状态: 即上管关断而下管开
2011 年第 10 期
郭家虎等: 基于 MM C 的轻型高压直流输电系统的建模与控制
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滤波器和变压器, 同时还存在着串联器件的动态均 压问题。二极管箝位型多电平变换器和电容箝位型 多电平变换器虽然在一定程度 上可以解决谐 波问 题, 但随着电平数的增 加, 其拓 扑结构将变得 很复 杂, 不利于控制系统的实现。
M odeling and Control of L ight H VDC T ransm ission Syst em Based on M M C
GU O Jia- hu1, 2 , LIA O Q -i yan1 ( 1. School of Elect rical and Inf orm ation Engineering of Anhui U niv ersity of Science and T echnolog y,
由于三相单元的对称性, 直流电流 I dc 在三相单 元之间均分, 即流过每相桥臂的直流电流分量均为
I dc / 3, 又由于稳态运行时, 交流相电流 ia 在上、下桥 臂间均分, 所以
iPa =
1 3
I
dc
+
1 2
i
a
( 5)
iNa =
1 3
I
dc
-
1 2
i
a
式( 2) ~ ( 5) 共同构成了 M M C- H VDC 输电系
压的平衡控制及系统的功率解耦控制。仿真结果验证了该系统的可行性与有效性。
关键词: 高压直流输电; 模块化多电平变换器; 平衡控制; 功率解耦控制
中图分类号: T D612
文献标识码: A
网络出版时间: 2011- 09- 22 13: 18
网络出版地址: ht t p: / / w w w . cnki. net / kcms/ detail/ 32. 1627. T P. 20110922. 1318. 010. htm l
H uainan 232001, China. 2. Wind Po w er Research Center of Shanghai Jiaot ong Universit y, Shanghai 200240, China)
Abstract: In v iew of problem s o f lo w- order harm onics in out put volt age, needing filt er and t ransfor mer w it h big volume and dynamic vo ltage balancing o f series component s of H VDC t ransmission syst em based on VSC, t he paper pro posed a design scheme of lig ht H VDC t ransmission syst em based o n M MC. It det ailedly int roduced im plement at ion o f co nt ro l st rateg y acco rding t o built mat hemat ic mo del of M MCH DVC t ransmission syst em . T he contro l st rat egy cont rols MM C- H DVC t ransmission syst em in term of device level and sy st em level, w hich separately r ealize balance cont rol o f capacit or vo lt ag e o f submodules and pow er decoupling contr ol of t he syst em. T he simulat io n r esult v alidat ed f easibilit y and eff ect iveness of the system.
新型模块化多电平变换器( M MC) 通过串联的 子模块电压叠加输出高电压, 具有输出电压谐波含 量少、无需额外的滤波 器和变压器、且很容易 实现
四象限运 行 等 优 点, 十 分 适 用 于 H VDC 输 电 系 统[ 4-9] 。本文首先建立 M MC - H V DC 输电 系统的 数学模型, 然后在此基础上对其控制策略作了详细 研究。该控制策略将 M M C- H VDC 的控制分为装 置级控制和系统级控制两个部分, 分别实现了子模 块电容电压的平衡控制及 H VDC 输电系统的功率 解耦控制。
积庞大的滤波器和变压器、串联器件的动态均压等问题, 提出了一种基于模块化多电平变换器 M M C 的轻型
H VDC 输电系统的设计方案; 根据建立的 MM C- H DVC 输电系统的数学模型, 详细介绍了该系统控制策
略的实现。该控制策略从装置级和系统级两个方面控制 MM C- H VDC 输电系统, 分别实现子模块电容电
假设三相交流系统线路参数完全对称, 根据 图 1 可得
L
di a dt
=-
Ria +
Usa - ua
L
di b dt
=