基于MMC的高壓大功率DC-DC變換器拓?fù)渑c控制策略研究.pdf

1、海上風(fēng)電作為全球風(fēng)電技術(shù)的最新發(fā)展方向之一近年來(lái)備受關(guān)注。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量及輸電距離的增加，高壓直流輸電技術(shù)成為海上風(fēng)電并網(wǎng)的唯一可行選擇。相較于多端直流輸電系統(tǒng)，直流電網(wǎng)將提供更高的供電可靠性和冗余性，更靈活的供電模式和更可靠的潮流控制方式。雖然直流電網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)了諸多好處，但主要挑戰(zhàn)之一來(lái)自于如何實(shí)現(xiàn)多電壓等級(jí)直流系統(tǒng)的互聯(lián)。由于目前直流輸電系統(tǒng)存在多種電壓等級(jí)，如果沒(méi)有DC/DC變換器，這些系統(tǒng)只能通過(guò)其交流側(cè)相連，無(wú)法構(gòu)成真

2、正意義的直流電網(wǎng)。因此，高壓大功率DC/DC變換器作為直流聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，是構(gòu)建未來(lái)多電壓等級(jí)、多端直流電網(wǎng)的重要組成部分。本文緊密跟蹤國(guó)內(nèi)外適用于大規(guī)模間歇式可再生能源接入的多電壓等級(jí)多端直流電網(wǎng)的研究和應(yīng)用前沿，主要開(kāi)展基于模塊化多電平換流器(MMC)的高壓大功率DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行控制策略以及故障保護(hù)策略的研究，論文選題在理論上具有一定的創(chuàng)新性，在應(yīng)用上具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。具體研究?jī)?nèi)容歸納如下:
　　分析未來(lái)直流

3、電網(wǎng)對(duì)于高壓大功率DC/DC變換器的技術(shù)需求，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外高壓大功率DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)研和歸類，包括隔離型和非隔離型，并總結(jié)相應(yīng)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)。對(duì)MMC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)研和比對(duì)，并分析其工作原理，研究相應(yīng)的調(diào)制及控制方法，所建MMC詳細(xì)模型將用于后續(xù)高壓大功率DC/DC變換器的建模與仿真分析。
　　提出了基于子模塊混合型MMC的隔離型雙端口高壓大功率DC/DC變換器拓?fù)?，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的調(diào)制策略及電容電壓平衡策略，并分

4、析了直流故障隔離的原理。首先,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有MMC子模塊拓?fù)涞恼{(diào)研，提出一種新型的、具有故障電流阻斷能力的T型全橋子模塊，并基于該子模塊構(gòu)建子模塊混合型高壓大功率DC/DC變換器，建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計(jì)了相應(yīng)的調(diào)制策略及電容電壓平衡策略，該策略利用T型全橋子模塊負(fù)電平輸出實(shí)現(xiàn)直流電壓下降時(shí)變換器的正常工作，保證多電壓等級(jí)互聯(lián)直流系統(tǒng)的降壓穩(wěn)定運(yùn)行，并通過(guò)合理配置子模塊，使其具有直流故障隔離能力，最后在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上進(jìn)

5、行了穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)仿真分析。
　　提出了隔離型多端口高壓大功率DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)控制策略及故障控制策略，并與直流故障隔離方案進(jìn)行了比較。首先論述了多端口高壓大功率DC/DC變換器的必要性，然后將多端口DC/DC應(yīng)用于多電壓等級(jí)海上風(fēng)電并網(wǎng)，提出了多端口DC/DC變換器的主從控制策略。接著分析了多端口DC/DC變換器的降壓運(yùn)行原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出相應(yīng)的故障控制策略，該策略可保證其各橋臂在最小全橋子模塊比例

6、下實(shí)現(xiàn)“直流故障穿越”，最后通過(guò)時(shí)域仿真對(duì)比故障期間直接閉鎖和不閉鎖故障端口時(shí)的控制效果。所提子模塊配置原則將有助于研究人員根據(jù)直流電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行要求，合理配置DC/DC變換器各橋臂子模塊，保證直流故障隔離的前提下進(jìn)一步降低變換器的成本和運(yùn)行損耗。
　　提出了直流自耦變壓器(HVDC-AT)在考慮直流故障時(shí)的子模塊配置原則，分析了雙端口和多端口HVDC-AT的成本，并對(duì)多端口HVDC-AT在直流故障下的運(yùn)行進(jìn)行了全過(guò)程仿真。首先研

7、究了HVDC-AT的運(yùn)行原理，考慮各MMC橋臂電流的不同，分別計(jì)算了雙端口和多端口HVDC-AT橋臂總等效功率開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量，并與相應(yīng)隔離型拓?fù)溥M(jìn)行了比對(duì)。然后對(duì)直流故障下HVDC-AT運(yùn)行的全過(guò)程進(jìn)行了分析，包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，故障隔離和故障后恢復(fù)。最后建立了帶故障特性的MMC平均值模型，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)時(shí)域仿真驗(yàn)證上述理論分析的有效性。所提分析方法將有助于研究人員根據(jù)實(shí)際直流電網(wǎng)的電壓等級(jí)和容量，從成本的角度對(duì)高壓大功率DC/DC變換器的