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模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)以其谐波含量少和易拓展化等优势逐渐成为柔性直流输电首选拓扑。然而,MMC具有多频率和非线性特性,在输电系统中存在宽频带不稳定风险。国内外工程中已有MMC连接风电场发生次同步、中频振荡,以及MMC连接输电线路发生高频振荡的报道。因此MMC的小信号建模与稳定性分析以及振荡抑制措施研究都具有重要的意义。
现有建模方法或忽略了MMC多频次成分,或是对MMC时域模型进行多频次展开。线性周期时变(Linear Time-periodic, LTP)时域方法在建模时无需做复杂的频次展开,且没有忽略频次成分,因而适用于分析MMC并网系统的稳定性问题。此外,大部分建模都没有考虑控制器长延时的影响。本文利用LTP时域方法研究了考虑控制器延时的MMC并网系统的系统稳定性。
首先,本文介绍了MMC拓扑结构和工作原理。并建立了MMC经RLC串并联结构并网系统的原始数学模型,主要考虑的控制器包括电流矢量控制器(Vector Current Control, VCC)、环流抑制控制器、锁相环(Phase Locked Loop, PLL)。
其次,本文分别推导了LTP时域模型和仅考虑MMC外特性的简化模型,通过对比分析MMC连接强电网的案例,并借助MATLAB/Simulink仿真分析,得出LTP时域分析方法在较低频段稳定性判定时更准确,在较高频段二者准确性相同的结论。并通过LTP时域方法分析了不同电网强弱下系统的稳定性。结果表明,相比于强电网,系统稳定要求的PLL和VCC参数范围在弱电网条件下大幅度缩小,但VCC的kp参数较大引起的较高频段振荡问题与电网强弱关系较小。同时,分析了控制器延时对系统稳定性的影响:延时越大系统稳定要求的控制器参数范围越小;延时不影响较低频段的振荡问题。
随后,本文以高频振荡为案例研究抑制措施。其振荡频率跨度大,系统控制器延时难以确定等特点给抑制措施设计带来困难。为此本文从桥臂能量的角度分析了高频成分的分布与含量,得出了直流侧和环流中高频成分少可不考虑抑制措施的结论。随后,分析了VCC的端电压前馈端和电流输入端增加滤波器方法的有效性;并分析得出桥臂电感适当增大能减小振荡风险,桥臂电阻适当增大能提高滤波器带宽调试范围等结论。并总结了完整的振荡发生后抑制措施的操作流程。最后,本文利用仿真和MMC实验平台验证了抑制措施的有效性。
现有建模方法或忽略了MMC多频次成分,或是对MMC时域模型进行多频次展开。线性周期时变(Linear Time-periodic, LTP)时域方法在建模时无需做复杂的频次展开,且没有忽略频次成分,因而适用于分析MMC并网系统的稳定性问题。此外,大部分建模都没有考虑控制器长延时的影响。本文利用LTP时域方法研究了考虑控制器延时的MMC并网系统的系统稳定性。
首先,本文介绍了MMC拓扑结构和工作原理。并建立了MMC经RLC串并联结构并网系统的原始数学模型,主要考虑的控制器包括电流矢量控制器(Vector Current Control, VCC)、环流抑制控制器、锁相环(Phase Locked Loop, PLL)。
其次,本文分别推导了LTP时域模型和仅考虑MMC外特性的简化模型,通过对比分析MMC连接强电网的案例,并借助MATLAB/Simulink仿真分析,得出LTP时域分析方法在较低频段稳定性判定时更准确,在较高频段二者准确性相同的结论。并通过LTP时域方法分析了不同电网强弱下系统的稳定性。结果表明,相比于强电网,系统稳定要求的PLL和VCC参数范围在弱电网条件下大幅度缩小,但VCC的kp参数较大引起的较高频段振荡问题与电网强弱关系较小。同时,分析了控制器延时对系统稳定性的影响:延时越大系统稳定要求的控制器参数范围越小;延时不影响较低频段的振荡问题。
随后,本文以高频振荡为案例研究抑制措施。其振荡频率跨度大,系统控制器延时难以确定等特点给抑制措施设计带来困难。为此本文从桥臂能量的角度分析了高频成分的分布与含量,得出了直流侧和环流中高频成分少可不考虑抑制措施的结论。随后,分析了VCC的端电压前馈端和电流输入端增加滤波器方法的有效性;并分析得出桥臂电感适当增大能减小振荡风险,桥臂电阻适当增大能提高滤波器带宽调试范围等结论。并总结了完整的振荡发生后抑制措施的操作流程。最后,本文利用仿真和MMC实验平台验证了抑制措施的有效性。