柔性直流輸電課程設(shè)計研究

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摘要：為拓寬全日制電氣工程與自動化專業(yè)的學(xué)生的知識視野，強(qiáng)化課程的綜合能力，提高分析能力和動手能力，本文針對柔性直流輸電這個課程設(shè)計題目，給出了詳細(xì)的設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計步驟及指導(dǎo)事項。該課程設(shè)計項目對Matlab軟件使用的熟練程度要求較高，有一定的難度，比較適合團(tuán)隊協(xié)作在1個月內(nèi)完成。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電；課程設(shè)計；Matlab仿真

一、課程設(shè)計背景

柔性高壓直流輸電（highvoltagedirectcurrent，HVDC）的交直流轉(zhuǎn)換部分多采用的是模塊化多電平換流器（modularmultilevelconverter，MMC）。和傳統(tǒng)少電平HVDC系統(tǒng)相比，MMC-HVDC系統(tǒng)存在換流站交流側(cè)電壓諧波畸變小、有功和無功獨立控制、可快速故障恢復(fù)、傳輸功率所占空間小等諸多優(yōu)點。最近電平調(diào)制（nearestlevelmodulation，NLM）是MMC-HVDC系統(tǒng)廣為采用的一種階梯波調(diào)制方法[1]。NLM方法開關(guān)頻率低于傳統(tǒng)的少電平HVDC系統(tǒng)，它由N個有相同額定電壓的橋臂子模塊（submodule，SM）串聯(lián)而成，在交流側(cè)可形成N+1個電平逼近正弦波。基于NLM的MMC-HVDC系統(tǒng)在連接交直流系統(tǒng)傳輸功率的時候一方面需要對換流站層進(jìn)行功率控制，另一方面還需要對換流閥層進(jìn)行子模塊控制。此課程設(shè)計需要學(xué)生對先期學(xué)習(xí)的專業(yè)課程能全面掌握和綜合應(yīng)用。

二、設(shè)計步驟及要求

第一，學(xué)生需復(fù)習(xí)“電氣工程基礎(chǔ)”課程交直流混合輸電部分的功率傳輸原理和交直流側(cè)各電氣量的基本關(guān)系。第二，學(xué)生需復(fù)習(xí)“自控原理”中的基本控制方法，熟悉閉環(huán)控制參數(shù)的基本調(diào)節(jié)方法。第三，學(xué)生需復(fù)習(xí)“電力電子技術(shù)”中全控型器件IGBT的觸發(fā)方法和輸出波形。第四，學(xué)生需復(fù)習(xí)“Matlab編程設(shè)計”中的SIMULINK部分，通過軟件自帶算例熟悉HVDC系統(tǒng)的內(nèi)外環(huán)解耦控制方法。第五，查閱MMC-HVDC系統(tǒng)的有關(guān)資料，熟悉NLM的基本的原理，確定交直流側(cè)間電壓和電流的基本關(guān)系。第六，查閱換流閥中SM導(dǎo)通和截止的基本控制原理，掌握各橋臂SM開關(guān)序列信號和換流器功率控制電壓信號間的時序邏輯關(guān)系。第七，在Matlab/SIMULINK軟件環(huán)境中，搭建雙端MMC-HVDC系統(tǒng)，根據(jù)給定功率調(diào)節(jié)模型，觀察雙端交直流側(cè)各典型電氣量的波形。第八，依據(jù)先期查閱的各種參考資料，明確雙端MMC-HVDC系統(tǒng)的基本工作原理、功率控制方法、仿真的具體實現(xiàn)方案、調(diào)試的仿真波形以及其他結(jié)論，分工協(xié)作、以團(tuán)隊的形式撰寫課程設(shè)計報告。

三、設(shè)計原理

（一）柔性直流輸電仿真系統(tǒng)概述

課程設(shè)計可根據(jù)文獻(xiàn)[1]中給出的21電平雙端MMC-HVDC系統(tǒng)典型參數(shù)系統(tǒng)建立仿真模型。仿真工具為Matlab/SIMULINK。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，柔性直流輸電系統(tǒng)主要包括交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、橋臂電路、觸發(fā)脈沖和控制電路五個部分。各部分的主要功能概述如下。1.交流系統(tǒng)。雙側(cè)交流系統(tǒng)具有相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，它分別通過兩個換流變和換流閥相連。其中交流電源電壓等級一般高于MMC交流側(cè)電壓，其等值電感和系統(tǒng)短路容量相關(guān)。2.直流系統(tǒng)。兩個MMC通過直流電纜連接。由于文獻(xiàn)[1]中MMC直流側(cè)沒有接地點，因此本課程設(shè)計中MMC-HVDC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為偽雙極系統(tǒng)。3.橋臂電路。MMC換流閥中含有結(jié)構(gòu)相同的三相、結(jié)構(gòu)相同的6個橋臂。每個橋臂由20個串聯(lián)的SM和1個諧波抑制電感構(gòu)成。為避免一個橋臂上出現(xiàn)太多的電力電子器件，可以將所有的串聯(lián)SM封裝到子系統(tǒng)中。其中，每個SM由兩個IGBT及其反并聯(lián)二極管和電容組成，其導(dǎo)通和截止受到觸發(fā)信號控制。4.觸發(fā)脈沖。由跟蹤有功和無功參考值的控制電路產(chǎn)生。每一相上下兩個橋臂在任意時刻導(dǎo)通的SM數(shù)量為20。5.控制電路。MMC-HVDC系統(tǒng)的典型控制電路含有換流站功率控制和換流閥SM控制兩個部分。

（二）原理實現(xiàn)

1.仿真系統(tǒng)模型搭建。課程設(shè)計的小組成員應(yīng)嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[1]中的雙端MMC-HVDC系統(tǒng)在Mat-lab/SIMULINK環(huán)境下搭建仿真模型。其中每個橋臂中的SM應(yīng)選擇詳細(xì)的電力電子模型而非平均模型。這樣每個SM的電容電壓均能在每個時刻得以記錄，便于發(fā)現(xiàn)功率波動對電容電壓和直流側(cè)電壓的影響。2.雙端功率控制策略。雙端MMC-HVDC系統(tǒng)一側(cè)工作于整流狀態(tài)，另一側(cè)工作于逆變狀態(tài)。整流側(cè)的控制方式應(yīng)設(shè)定為恒定電壓和恒定有功模式。逆變側(cè)的控制方式應(yīng)設(shè)定為恒定有功和恒定無功模式。根據(jù)傳輸?shù)挠泄蜔o功功率可計算出每個換流站有功和無功控制器的參考值，這兩個參考值將送入控制模塊得以跟蹤。3.換流站和換流閥控制流程。控制模塊的搭建和調(diào)試是整個課程設(shè)計的難點。根據(jù)控制電路的組成，其基本的信號流程依次是PLL測量單元、有功和無功參考值形成單元、外環(huán)電壓控制單元、內(nèi)環(huán)電流控制單元和觸發(fā)脈沖形成單元。PLL測量模塊測量換流變高壓側(cè)電壓的相角，經(jīng)Park變換可計算出同側(cè)傳輸?shù)挠泄蜔o功。該有功和無功測量信號分別送入有功和無功控制模塊。這兩個模塊中均含有1個PI控制器跟蹤給定的有功和無功參考值，分別輸出有功參考電壓和無功參考電流Iqref。將產(chǎn)生的有功參考電壓送入直流電壓控制模塊，根據(jù)MMC整流側(cè)或逆變側(cè)的參考值產(chǎn)生有功電流參考值Idref。此時，根據(jù)HVDC系統(tǒng)解耦原理，有功和無功電流參考信號Idref和Iqref將在電流控制模塊中和PLL測量模塊測量到的實時有功和無功電流信號比較，經(jīng)過2個PI控制器產(chǎn)生輸出參考電壓Uref。而Uref送入觸發(fā)脈沖模塊，根據(jù)NLM的原理產(chǎn)生送入換流閥ABC三相6個橋臂上的觸發(fā)脈沖。這些脈沖反映了控制模塊對不同功率控制信號的實時跟蹤。其中，整流側(cè)直流母線的電壓和從系統(tǒng)吸收的有功維持在給定參考值；逆變側(cè)輸入交流系統(tǒng)的有功和無功亦維持在給定參考值。

四、調(diào)試和說明

在確認(rèn)仿真模型搭建無誤后，輸入文獻(xiàn)[1]中給定的每個元件參數(shù)。此時，課程設(shè)計團(tuán)隊需重點調(diào)試控制模塊中的4個PI控制器參數(shù)。值得說明的是，如果控制器參數(shù)設(shè)計合理，MMC-HVDC整流側(cè)的直流電壓將維持恒定，同時從交流側(cè)吸收的有功功率和給定值相同；MMC-HVDC逆變側(cè)的有功和無功和參考值一致。反之，仿真模型會失去穩(wěn)定。將仿真時間設(shè)定為2s，學(xué)生可以通過仿真示波器觀察雙端MMC-HVDC系統(tǒng)交直流側(cè)重要電氣量的波形。當(dāng)仿真波形穩(wěn)定后可以繼續(xù)仿真0.04s。此時，學(xué)生將仿真示波器接入串聯(lián)SM構(gòu)成的任意一個子系統(tǒng)中，觀察該橋臂中每個SM的電容電壓Udo的波動范圍。若Udo允許波動的范圍是其額定電壓的10%以內(nèi)，學(xué)生需觀察是否有越限電壓存在？思考可能越限的原因是什么？有什么可以限制電壓波動的方法？可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)回答這些問題。

五、課程設(shè)計報告說明

課程設(shè)計報告可根據(jù)團(tuán)隊人員的實際工作分開撰寫，最后統(tǒng)一合稿[2]。前言部分需結(jié)合前期學(xué)習(xí)的專業(yè)課程，圍繞雙端柔性直流輸電系統(tǒng)說明其技術(shù)的發(fā)展歷史、優(yōu)缺點，基本的電氣量穩(wěn)態(tài)關(guān)系和MMC具體的分層控制策略。結(jié)合前文的示意圖，在設(shè)計原理中詳細(xì)論述各部分的結(jié)構(gòu)和功率調(diào)節(jié)方法，重點討論控制模塊中各模塊的相互關(guān)系和控制器的調(diào)試方法和具體的控制參數(shù)。在仿真結(jié)果中，記錄前文提出的重要波形，回答SM的電容電壓波動的相關(guān)問題，給出必要的分析結(jié)論。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐政,柔性直流輸電[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2]孫冠群,陳衛(wèi)民.“步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)”課程設(shè)計研究[J].中國電力教育,2013,273(5):55-56.

作者：李勇匯 單位：武漢大學(xué)