基于MMC的直流潮流控制器设计.pdf

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基于MMC的直流潮流控制器设计pdf,直流电网已经成为柔性直流输电领域的研究热点之一。针对直流电网潮流控制自由度不足的问题,提出了一种基于模块化多电平换流器的新型直流潮流控制器其具有额定容量小、不需与外部电源连接和便于扩展等优点。首先,针对已有的直流潮流控制器的不足,提出了基于MMC的新型直流潮流控制器的拓扑结构及在直流系统中的安装方式;其次,通过对MMC-DCPFC的工作原理的分析,提出了满足系统要求的控制策略;最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建含有直流潮流控制器的三端直流输电系统,通过对3种工作方式的仿真实验,验证了该直流潮流控制
第41卷第7期 电网技术 2109 表I三端柔性直流系统线路参数 2 MMC-DCPFO拓扑结构及其工作原理 Tab. I The circuits parameters of three-terminal flexible IIvDC system 根据直沇电网结构特点,结合上述直沇潮沇控 直流线路 距离/km 电阻2电抗H 制器的优点,提出了一种基于MMC的新型直流潮 线路L12 300 0.12 流控制器。与DC-DC变换型 DCPFO相比,它以串 线路113 100 线略123 200 0.08 联形式接入直流电压,具有容量小、损耗低的特点; 表2三端柔性直流系统换流站参数 与辅助电压源型 DCPFO相比,其在控制系统潮流 Tab. 2 The converters parameters of 的同时,还可以实现直流潮流控制器的内部功率平 three-terminal flexible HvDC system 衡,不需要与外部交流系统连接进行取能,节约取 换流站 交流側线电压V直流电容/mF电感/H 能及绝缘成本;与线间 DCPFC相比,它采用MMC 换流站1 220 0.053 换流站2 20 0.7 0.053 结构的拓扑,便于MMC- DCPFO的拓展且工作频 换流站3 220 0.053 率较低。可见, MMC-DCPFC为直流电网的发展做22 MMC-DCPFC工作原理 出了技术参考。 在图4中的实验环境中,当换流站2和换流站 2.1 MMC-MDCPFO拓扑结构 3相对于换流站1的电压发生改变,潮流便随之变 图4示出了MMC- DCPFC的拓扑结构及其在化。根据系统结构,可得到该直流系统的潮流分布 直流系统中的应用方式。直流系统由3个换流站组情况,如下式所示: 成了环网结构,并采用伪双极的接线方式,其中换 流站1工作在定电压状态,换流站2和换流站3工 R 作在定功率状态,只体参数如表1、表2所小。该 1.-2-C1-M 直流系统的潮流分布符合N-1原则,系统会出现了 12 条百流线路潮流不可控的情况。 MMC-DCPFO安 U3-01-UN M2 装在换流站1处,主要包括2个模块化多电平换流 13 R13 器和1个交流变压器。由MMC构成的拓扑具有公 C-U 共的交流母线,通过增加换流器个数可以较为容易 R 的扩展成多端∏直流潮沇控制器,适合用于且流电 网。换流器的直流侧分别以串联的形式接于直流系 h2=U2l2=,0 R 12 统1、3节点和1、2节点的正极线路上,直流电內 M2 的负极直按相连即可(图中已省咯);换沇器的交沇 R,3 侧通过交流变压器相连以满足自身功率平衡。模块 化多电平换流器由6个桥臂组成,每个桥臂又由相 P=U=U, 02-01-U R R1 同数量的全桥型子模块(BSM)级联而成,FBSM能 输出±1、0共3个电平,故换流器可以在线路中串 B2=0242=UU,-U1-UMI U2-UJT R 入止、负两种电压 U -U-U U-U R1 R 3 换流站2 换流站3 P P3 式中:P2、P3、P3为线路L1、L3、L2上流通 1 4 13 MMC MMC 的功率;F、P、P为3个换流站输出或输入的功 A HA HA A已A 率;U1、U2、U3为直流系统3个换流站的节点电 压;UM1、UM2.为 MMC-DCPFC在线路L12、L3上 串联的电压;12、l3、l23为3条直流线路上的电 S PI 流;R2、R3、R2为3条直流线路上的电阻 换流站1 公式(2)表明可以通过控制MMC-DCPC的 UMn1、U2调整U2、U3相对于U1的电压值,进而 图4 MMC-DCPFO拓扑结构 改变线路电流12、l13、l23的大小和方向,最终实 Fig 4 Topology structure of MMC-DCPFC 现潮流的控制。此外,MMC- DCPFO的额定功率较 2110 李国庆等:一种基于MMC的新型直流潮流控制器 Vol 41 NO. 7 小,只需要很小的功率流通就可以实现调整Ux1、 交流母线 UM2的功能。 lartjlqlllsz+io 在已给出直流系统参数的基础上,根据公式(1) Ear+jeal Aztec (3)可推得公式(4),公式(4)出了3条线路电流2、 Ca+jog I13、I2的分布与UM1-U2关系。 MMC-DCPFO 图6MMC- DCPFO等值电路 对直流系统外特性的影响可忽略不计,式中1、l2、 Fig. 6 The equivalent circuit of MMC-DCPFC J3基本不受 MMC-DCPFC的影响,能保持恒定 效电路 其中,Lm1、L-m2、L1、L2分别为折算后 R12+2B,(1-U2) R R12+R13+R2 MMCⅠ、MMC2的桥臂电抗、漏电抗;U4、U。为 R12+R23 交流母线电压的d分量;l、l为交流母线电流 l3 R12+R13+R23 的d分量:Ea1、Eq、E2、E2分别为折算后 R+R R12+R13-R2 M-M2)R+R+,2+MMC1、MMC2电压的如q分量。且有 d 0a=l+ ed-oli R1 R12+R13+R2 dl (UM1-U2)+ R dt R12+R13+R23 R12+R13+R23 通过公式(5)(6),MMCl和MMC2实现了UM1、 R1 UM2之间的联系。MMC2上作在逆变状态时的分析 R3+R2 如下: 4 1)MMC2工作在建立交流电压的模式下,利 图5为线路电流变化图。图中取U1-U饿,的 用稳定的直流电压UM2来建立交流电压E2, 变化范围为-6-6kV,可以发现l12与UM1-UMn2之 E2m=UM2M22,M2为MMC2的调制比。 间呈现负相关的关系,13、I23与LM1-UM2为正 2)MMC1工作在控制端口直流电压的模式下, 相关的关系。当UM-U2小于405V时,过利用E1得到可控的育流电压UM,Um= 零点;当UM1-UM2大于225kV时,12过零点 2EmM1,M1为MMC1的调制比。 I12、l1过零点,意味着在环网中产生环流,不利 3)根据上文分析, MMC-DCPFO相当于在线 于系统的安全可靠运行。 MMC-DCPFC正常运行路L上串入个UM-UM2的直流电压源,起到控 U2应在4.05-2.25kV的范围内 制潮流的作用。需要说明的是两者不能同等大小 否则无法起到改变功率的作用。 32生成电压指令值 0 为了实现直流系统潮流的控制目标,需要利用 线路电流指令值待到控制策略的电压指令值。冋时, 根据MMC-DCPC的内部功率平衡,可以得到 UMU/kV MMC-DCPFC =UMA+uml=0 图5线路电流变化图 式中 PMMC-DO是 MMC-DCPFC吸收的总功率 Fig 5 Line current variation 以I1.为例,电压指令值生成框图如图7所 3MMc- DCPFC的等效电路及控制策略 示。图中2、l3分别是換流站2、3的出口电流, 在本节中,首先给出MMC- DCPFO的等效电其在稳态情况下可认为是固定值,而且可以通过换 路,并分析2个换流器之间的配合原理。MMC.沇站之间的通信通道求得。可以看出,将已知的电 DCPFO的控制策略是以电压作为初始值,而直流 潮沇控制器是通过调节直沇线路电流来实现控袆 Mm-n↓公式 潮流的目的,故需要一个电压指令值的生成方法 公式 (4) 最后,提岀适用于MMC- DCPFC的控制策略。 3.1MMC- DCPFO等效电路 图7电压指令值生成框图 图6为MMC- DCPFO在q旋转坐标系下的等Fig7 Voltage instruction value generation block diagra 第41卷第7期 电网技术 211l 流值代入,运用式(4)(7),即可得到MMC1、MMC2 端口的电压指令值UM1、UM2o 3.3 MMC-DCPFC控制策略 触发 触发脉冲 MMC-CPFC利用从线路电流指令值求得的 逻铒 端口电压指令值作为控制策略的初值,实现潮流控 制。本节中假设MMC2为逆变端,用以建立稳定 的交流电压。MMC1为整流端,用以控制端口1的 图10MMC1控制框图 直流电压。MMC2正常工作的前提是其直流侧的电 Fig 10 The control block diagram of MMCl 压稳定,所以濡需要附加控制维持MMC2直流电压制系统可分为外环直流电压控制和内环电流控制。 稳定 外环直流电压控制根据直沇电压的PⅠ控制得到内 3.3.1建立交流电压控制 环d轴电流分量指令值,如式(9)所示;内环电流控 为了建立稳定的交流电压,首先要有稳定的直制是对d轴和q轴电流分量进行直接控制,使其快 流电压。U12的阴极与直流系统的U直接相迕,该速跟踪指令值,如式(10(11所示 控制器通过在很小的范围内调节1以达到稳定cx=kn(-)+kj(m-um)dn() UM2的目的,如式(8)所示。可见 MMC-DCPFC有 式中:dast为d轴电流分量的指令值;UMnr为直 辅助换流站调节电压的作用,图8为与式(8)相对应流电压的指令值:UM1为直流电压实测值 的控制框图。相比于直流电网,MMC- DCPFO的电 压等级较小,得到的直流电压修正量△U1也会较 =4+OL4一[k2(-)+k:」(st=)dn1(10) 小,并不会影响到直流电网的正常稳定运行 =n1-OL-k(ie-)+2(e-d1(1) Iref 2=Urefl+AUlref =Urefl+ 式中:v、v为调制系数的d轴分量;“、v为 kUM-UM)+∫(Uwmr-w)dn1(8)交流电压的dg分量;as、如mt为d轴电流分量 式中:UM2sr是MMC2直流侧电压指令值;UM2是的指令值:、为dq轴电流分量的实测值。 MMC2直流侧电压实测值;U是换流站1未修 正直流电压指令值;△U1s是换流站1直流电压修4仿真分析 正量;U1m2是修正后的换流站1的直流电压参考值 上文已经对MMC- DCPFO的拓扑结构、工作 原理、等效电路和控制策略进行了介绍。为了验证 木文提出的直流潮流控制器的有效性,在 PSCAD EMTDC仿真平台上搭建了如图4所示的含有直流 图8稳定直流电压控制框图 潮流控制器的三端柔性直流输电系统仿真模型,仿 Fig& A stable dc voltage control block diagram 貞参数见衣1、表2,换流站1直流电压参考值 MMC-DCPFC用来建立交流电压的控制框图U1-1=200ky,换流站2和换流站3分别提供 如图9所示。该直流潮流控制器采用无源逆变的形P-120MW和P3=90MW的有功功率。MMC 式,正弦量的三要素为:幅值、频率和相角。对于DCPC安装在换流站1处,初始时刻,MMC 给定的U√212,与MMC2调制比的乘积作为幅值; DCPFC被旁路。下面将对直流潮流控制器稳态工 该交沇电压用于MM- DCPFC的内部,频率可根作情况、反向调节、换流站2和换流站3功率分别 据需要给定,在此定为工频50Hz:相角则为随时阶跃条件下维持某一线路电流不变进行仿真验证。 间变化的量。最终,根据触发逻辑作用于桥臂,产4.1稳态工作情况 生正弦量。 在MMC- DCPFC未投入之前,该三端柔性直 触发 流输电系统已稳定运行,此时,12=0375kA, 触发|脉冲 逻辑 13=0.675kA,I23=0.225kA,UM1、UM2分别 图9建立交流电压控制框图 预充电至-1kV和1kV。t=2.5s时,投入MMC Fig 9 Set up AC voltage control block diagram DCPFC,设定I2=0.5kA,此时功率从MMC2 3.3.2定直流电压控制 流向MMC。仿真结果如图11所示,图(a)为直 图10为MMC的直流电压控制策略框图,控流线路电流,图11(b)为三端直流系统节点电压 2112 李国庆等:一种基于MMC的新型直流潮流控制器 Vol 41 NO. 7 图1!c为直流淛流控制器的端口电压。将理论值和 仿真值进行对比,如表3所示,不难发现,仿真数 值基本与理论数值基本吻合,验证∫该直流潮流控 0.4 制在调节潮流的同时,还可以保证 MMC-DCPFC 内部功率平衡,而且对系统外特性影响较小,具有 2.5 可行性和有效性。 a)直流线路电流 0.8 202 201 WMNA 3.5 200 (a)直流线路电流 3.544.55 t/s (b)三端直流系统节点电压 2.533.54 (b)三端直流系统节点电压 3.5 44.5 UM (c)直流潮流控制器端口电压 图12MMC- DCPFC反向调节仿真图 UM Fig 12 The simulation diagram of MMC-DCPFC reverse adjust 2.5 3.5 MMC- DCPFO具有反向调节的能力。 ()直流海流控制器靖口电压 4.3换流站2功率阶跃保持l12不变 图11稳态运行情况仿真图 Fig ll The simulation diagram of stcady state operation 初始时刻,换流站2和换流站3分别提供120Mw 表3理论值和仿真值对比表 和90MW的有功功率。在41的基础上,t=4s时 Tab.3 The table of comparison between theoretical value换流站2的功率由120MW阶跃到150MW此时, and simulation value 13=0.7kA、I23=0.25kA、UM1=-0.175kv 项目m/l1y1yU U/M2=0.125kV,仿真结果如图13所示,图13(a) kA KAka kv kV kV k 理论值05035012012012090-039036为直流线路电流,图136)为三端直流系统节点电 仿真值0.50.540.11200.1200.2200.8-0.390.36 压,图13(c)为直流潮流控制器的端口电压。仿真结 4.2反向调节 果衣明,当换流站2功率阶跃时, MMC-DCPFC能 t=2.5s时,投入 MMC-DCPFO,UM、U2够维持l2不变。因直流系统的l2增大而不变, 顶充电至1kVⅴ和-1kⅴ。 MMC-DCPFC采用所提出导致3和13均增大,与理论值相符。验证了该 的控制策略,令12=0.3kA。根据式(4)(7)可到: MMC-DCPFC在换流站2功率阶跃时,能够保持某 713=0.75kA、23=0.3kA 0.32kV 一线路电流不变。 UM2=-0.13kV。此时, MMC-DCPFO功率应由44换流站3功率阶跃保持l2不变 MMCl流向MMC2。仿真结果如图12所示,图12(a) 初始时刻,换流站2和换流站3分别提供120MW 为直沇线路电流,图12(b)为三端直流系统节点电和90MW的有功功率。同样先以4节的运行情况 压,图12(c)为直流潮流控制器的湍口电压。该仿真为基础,t=4s时,换流站3的功率由90MW阶 说明当 MMC-DCPFC运行在反向调节的工作状态跃到120MW。利用公式可得:3=07kA 时,电流、电压的稳态数值与理论值一致,而且23=0.1kA、UMn1=-0.75kV、UM2=0.45kV MMCl和MMC2的电压极性均发生改变,说明直仿真结果如图14所示,图14(a)为直流线路电流, 流溯流控倒器内部功率方向发生了改变,验证了图14(b)为三端直流系统节点电压,图14(c)为直流 第41卷第7期 电网技术 2113 潮流控訇器的端口电压。仿真结果表明,当换流站 0.8 3功率阶跃时,能够维持l12不变。因直流系统的l2 0.4 不变而13增大,导致23不变、l13增大,与理论相 0 23 符。验证了该MMC- DCPFC在换流站3功率阶跃 4.5 时,能够保持某一线路电流不变 (a)直流线路电流 5结论 202 为了解决直流电网的潮流控制自由度不足的 问题,本文提出了一种基于MMC的新型直流潮流 20l 控制 200 1)MMC- DCPFC在控制直流输电系统潮流的 4.5 同时,两个换流器之间能够进行功率交换,故不需 (b)三端直流系统节点电压 与外部电源相连接,节约了成本,有利于未来直流 电网的发展。 2)在 PSCAD/ EMTDC仿真环境中搭建了三端 直流输电系统)安装了MMC- DCPFC,对稳态工作 凊况、反向调节、换流站2和换流站3功率阶跃下 保持某一条线路电流不变进行了仿真实验验证。实 4.5 骖结果和理论分析相一致,表明了本文提出的直流 (c)直流潮流控制器端口电压 淛流控制器能够有效解决直流电网的潮流不可控 图13换流站2功率阶跃仿真图 问题。 Fig 13 The simulation diagram of power converter 3)本文中的 MMC-DCPFC仍为两端口,只能 station 2 step up 控制两条直流线路上的潮流,下一步将进行 13 MMC-DCPFC的端口拓展研究以控制多条直流线 路上的潮沉。 参考文献 44.5 []王锡凡,刘沈全,宋卓彦,等.分频海上风电系统的技术经济分 析门,电力系统自动化,2015,39(3):43-50 (a)直流线路电流 Wang Xifan, Liu Shenquan, Song Zhuoyan, et al. 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