LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)的仿真案例分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u29591LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)的仿真案例分析概述 1308221.1仿真參數(shù)的選定 1236031.1.1橋臂子模塊數(shù)目的選擇 1176131.1.2MMC子模塊電容器電容值的選取原則 2202071.1.3MMC橋臂電抗值的選取原則 294431.2LCC-MMC系統(tǒng)的仿真結(jié)果 4177721.2.1系統(tǒng)啟動與穩(wěn)態(tài)特性 5159561.2.2無功、有功功率階躍情況下的仿真 7161321.2.3采用環(huán)流抑制控制器前后的仿真波形 8189191.2.4整流側(cè)直流線路接地短路故障 10本章主要就本文所給出的控制策略進行仿真，來驗證其可行性，在仿真前先根據(jù)元件的特點選取合適的仿真參數(shù)，再根據(jù)仿真波形來來判斷所采用的控制方案是否合理，通過整流側(cè)直流故障仿真實驗來說明LCC-MMC混合輸電系統(tǒng)的直流故障恢復能力。仿真參數(shù)的選定在進行LCC-MMC混合輸電系統(tǒng)的仿真分析時，如何正確的選取各元件參數(shù)是十分必要的，如果選取的各參數(shù)相互之間不匹配或者不能滿足控制需求，便極有可能造成仿真失敗或者仿真結(jié)果并不符合我們的預計標準。其中，MMC換流器中的參數(shù)選取標準是整個仿真模型參數(shù)選取的關鍵，因此，本節(jié)主要就MMC橋臂子模塊的數(shù)目和電容量，以及MMC橋臂電抗器的選取標準就以簡單的敘述。橋臂子模塊數(shù)目的選擇橋臂子模塊SM是MMC拓撲結(jié)構中最小的單元，也是MMC中數(shù)目最多的單元，同時，更是MMC中最重要的工作模塊，它承擔著將直流量轉(zhuǎn)化為交流量的重任。在MMC正常運行過程中，通過調(diào)制和均壓模塊控制各子模塊的運行狀態(tài)，各子模塊電容電壓相互疊加生成類正弦波，通過濾波最終得到合理的正弦波。值得注意的是，若子模塊數(shù)目過少，則無法通過MMC逆變形成合理的正弦交流波形，其諧波含量過多，會嚴重影響MMC的運行狀態(tài)和元件壽命，造成電網(wǎng)的穩(wěn)定性差；若子模塊數(shù)目過多，由于MMC子模塊中含有電力電子器件，隨著子模塊數(shù)目的增多，MMC的性能并不會因此得到大幅提高，而投入的成本會大幅增加。綜上所述，正確的選取MMC橋臂子模塊的數(shù)目是及其必要的，其中子模塊的數(shù)目N應滿足下面這一關系式：N=σ=文獻[34]還提出了冗余度σ的概念，冗余度的定義見公式（4.2），其中N0為工程中的冗余配置參考值，N為所采用的子模塊數(shù)目。在考慮實際工況時，MMC子模塊數(shù)目的選擇還需要增加一些冗余子模塊ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王朝亮</Author><Year>2013</Year><RecNum>77</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[42]</style></DisplayText><record><rec-number>77</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tzdsdz5ebrw2pcea5w2vzreit5ertv2r9efx"timestamp="1618625263">77</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>王朝亮</author><author>趙成勇</author><author>許建中</author></authors></contributors><auth-address>新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室華北電力大學;</auth-address><titles><title>模塊化多電平換流器的子模塊冗余配置計算方法%J電力系統(tǒng)自動化</title></titles><pages>103-107</pages><volume>37</volume><number>16</number><keywords><keyword>模塊化多電平換流器</keyword><keyword>子模塊</keyword><keyword>可靠性</keyword><keyword>冗余和可靠性指標</keyword><keyword>冗余配置</keyword></keywords><dates><year>2013</year></dates><isbn>1000-1026</isbn><call-num>32-1180/TP</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[42]，以確保直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每增加一個冗余SM，MMC的穩(wěn)定性就會隨之增加，相應的投入成本也會增加，經(jīng)濟性會下降。MMC子模塊電容器電容值的選取原則在MMC換流器中，子模塊電容作用是通過放電、充電來提供電壓量，通過調(diào)制作用生成逆變側(cè)交流電壓，要得到合適的交流電壓值，就要對子模塊電容量做一個正確的選擇。同時，在直流輸電系統(tǒng)運行時，由于電壓波動的存在，鑒于子模塊電容直接并聯(lián)在直流系統(tǒng)上，導致很難對子模塊電容進行均衡配置。此外，通過第三章分析，MMC環(huán)流其內(nèi)部含有二倍頻環(huán)流，其產(chǎn)生也與子模塊電容器有關，若能選擇合適的電容值可在一定程度上對其削弱。因此正確的選取子模塊電容器電容值是十分必要的，在此不對它進行具體的計算推導，在已知MMC換流器各參數(shù)與線路參數(shù)的條件下，根據(jù)文獻[38]，其選取原則如下式Cλ=式中，UN為交流線路線電壓有效值；UC為子模塊電容額定電壓值；SN為MMC的視在功率；cosφ為系統(tǒng)的功率因數(shù)；M為MMC的調(diào)制比；N為MMC橋臂子模塊的數(shù)目；ε為MMC橋臂電抗值的選取原則橋臂電抗存在于各相上下橋臂，它能夠在一定程度上抑制MMC內(nèi)部的環(huán)流，還能限制直流線路故障時MMC的電流上升率，抑制故障電流，以達到維持系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>屠卿瑞</Author><Year>2010</Year><RecNum>61</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[34]</style></DisplayText><record><rec-number>61</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tzdsdz5ebrw2pcea5w2vzreit5ertv2r9efx"timestamp="1615341440">61</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>屠卿瑞</author><author>徐政</author><author>鄭翔</author><author>管敏淵</author></authors></contributors><auth-address>浙江大學電氣工程學院;</auth-address><titles><title>模塊化多電平換流器型直流輸電內(nèi)部環(huán)流機理分析%J高電壓技術</title></titles><pages>547-552</pages><volume>36</volume><number>02</number><keywords><keyword>模塊化多電平換流器</keyword><keyword>直流輸電</keyword><keyword>環(huán)流</keyword><keyword>2倍頻</keyword><keyword>負序</keyword><keyword>電壓均衡</keyword></keywords><dates><year>2010</year></dates><isbn>1003-6520</isbn><call-num>42-1239/TM</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[34]。橋臂電抗的取值會大大影響MMC的工作性能，橋臂電抗值過小會導致MMC相間的高頻環(huán)流分量無法被有效清除，直接影響了環(huán)流抑制器的工作效率，同時，在線路發(fā)生故障時，會導致橋臂電抗上產(chǎn)生的反電動勢無法滿足要求，這對直流系統(tǒng)來說是極其不利的，即無法有效限制故障電流，會嚴重影響直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。橋臂電抗值過大則增加成本、影響電流跟隨速度。因此，對橋臂電抗參數(shù)的選取具有重要意義。此次仿真的橋臂電抗取值可從以下三個方面考慮：系統(tǒng)運行范圍、直流側(cè)故障、MMC換流器內(nèi)部環(huán)流?？紤]系統(tǒng)運行范圍時的電抗值選取原則在考慮系統(tǒng)運行范圍時，由于MMC拓撲結(jié)構中橋臂電感與變壓器等效漏抗串聯(lián)，我們將其當作整體，記為L，此時L=其中，L0為橋臂電抗電容值，LT為MMC換流變的等效漏抗值。根據(jù)輸電系統(tǒng)的特點，可以將L的標幺值表示為下式X?arcsin式中δ表示電壓移相角，我們可以根據(jù)系統(tǒng)要求的移相角來選取等效電抗。限制直流側(cè)故障的電抗值選取原則當系統(tǒng)MMC換流器側(cè)發(fā)生直流故障時，鑒于半橋子模塊并不具備清除直流故障的能力，故MMC清除直流故障的責任交給了橋臂電抗，橋臂電抗必須具有對故障電流強大抑制能力，這就要求Ldi/dt足夠大。在給定電流上升率α(kA/s)的情況下，橋臂電抗的數(shù)學表達式應滿足下式L抑制MMC內(nèi)部環(huán)流的電抗值選取MMC三相橋臂中，由于電壓波動量的存在，橋臂內(nèi)部會產(chǎn)生二倍頻和更高頻次的交流環(huán)流量，其中主要是二倍頻負序分量，為了在一定程度的削弱環(huán)流，在二倍頻環(huán)流量I2fLLCC-MMC系統(tǒng)的仿真結(jié)果為了驗證擬定的控制方案是否合理，我們采用PSCAD/EMTDC4.5仿真軟件進行模擬仿真。PSCAD仿真軟件廣泛應用于高壓直流輸電仿真分析其內(nèi)部有大量的電力系統(tǒng)元件可供選擇，用戶可根據(jù)自己的仿真需求選擇元件的類型、設置元件的參數(shù)，還可根據(jù)自己的想法通過編寫FORTRAN語言自定義元件模塊，PSCAD仿真速度快、結(jié)果精確且操作靈活ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>林良真</Author><Year>2000</Year><RecNum>78</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[43]</style></DisplayText><record><rec-number>78</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tzdsdz5ebrw2pcea5w2vzreit5ertv2r9efx"timestamp="1618714654">78</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>林良真</author><author>葉林</author></authors></contributors><auth-address>中國科學院電工研究所!北京100080,中國科學院電工研究所!北京100080</auth-address><titles><title>電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD/EMTDC%J電網(wǎng)技術</title></titles><pages>65-66</pages><number>01</number><keywords><keyword>PSCAD/EMTDC</keyword><keyword>電力系統(tǒng)分析</keyword><keyword>軟件</keyword></keywords><dates><year>2000</year></dates><isbn>11-2410/TM</isbn><call-num>11-2410/TM</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[43]，PSCAD官方網(wǎng)站有大量的輸電模型可供參考學習，對于本課題來說，用PSCAD進行仿真分析是極其便利的。在PSCAD4.5中搭建了如圖4-1結(jié)構的主電路，其中，在LCC整流器中搭建了定直流電壓控制結(jié)構，在MMC逆變器電路模塊中搭建了CCSC，在MMC控制模塊中搭建了內(nèi)環(huán)電流與外環(huán)功率控制模型，MMC中電路采用載波移相調(diào)制。（注：其仿真電路圖及控制模型見附錄）主電路中各元件參數(shù)通過計算和結(jié)合實際工程，得出了如表4-1的所有參數(shù)。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s11所搭建的仿真電路結(jié)構表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11混合直流輸電系統(tǒng)仿真參數(shù)系統(tǒng)啟動與穩(wěn)態(tài)特性設置仿真時間為10s、仿真步長為50μs、采樣間隔為500μs，為得到系統(tǒng)在正常運行時的穩(wěn)態(tài)波形，我們對仿真系統(tǒng)開啟環(huán)流抑制器，此時不提供功率階躍，不設置短路故障。點擊開始仿真，我們可以得到達到穩(wěn)態(tài)前和處于穩(wěn)態(tài)時各電路量的狀態(tài)。在此選取了逆變側(cè)有功功率和整流側(cè)直流電壓的穩(wěn)態(tài)前特性，如圖4-2、4-3，可以看到，啟動階段0.4s時有功功率和直流電壓發(fā)生變化，說明此時直流系統(tǒng)開始為逆變側(cè)MMC子模塊電容充電，在0.7s后整流側(cè)直流電壓逐漸趨向控制量500kV，逆變側(cè)有功功率逐漸趨向所定的目標值1000MW，說明系統(tǒng)的啟動完成。系統(tǒng)在0.8s后便處于穩(wěn)定狀態(tài)，這里我們選取穩(wěn)態(tài)時整流側(cè)直流電壓量、逆變側(cè)交流電壓量與采取環(huán)流抑制器的穩(wěn)態(tài)MMC的a相上橋臂電流量進行說明，如圖4-5、4-6、4-7，可以看到直流電壓在穩(wěn)定時能夠保持500kV，說明我們采取的整流側(cè)LCC定直流電壓控制策略是有效的，逆變側(cè)交流電壓和a相上橋臂電流是一個很良好的正弦波形，說明MMC逆變器正常運行，其中a相上橋臂電流平均值不完全為0是因為其中含有直流分量。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s12啟動階段逆變側(cè)有功功率波形圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s13啟動階段直流電壓波形圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s14穩(wěn)定時直流電壓波形圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s15穩(wěn)定時逆變側(cè)交流電流波形圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s16穩(wěn)定時MMC的a相上橋臂電流波形無功、有功功率階躍情況下的仿真為了驗證直流系統(tǒng)中發(fā)生功率階躍時是否能夠保持穩(wěn)定以及MMC控制器是否有效，我們設置了功率階躍的仿真實驗，功率階躍發(fā)生器結(jié)構見附錄。仿真前準備步驟如下，保持直流電壓量與無功功率量不變，單獨提供有功階躍，將有功功率控制量設置為4s~5s時，有功功率由-1000MW階躍到-800MW，5s~6s時，由-800MW階躍到-900MW，其余時間保持為-1000MW，此時開啟仿真，逆變側(cè)有功功率、無功功率和整流側(cè)直流電壓波形變化如圖4-7、4-8、4-9；保持直流電壓量和有功功率量不變，單獨提供無功階躍，將無功功率控制量設置為在5s時由0階躍到-400MW、5.2s時由-400MW階躍回0，開啟仿真，逆變側(cè)無功功率波形、逆變側(cè)交流電壓波形變化見圖4-10、4-11?？梢钥吹?，發(fā)生有功、無功功率階躍時，逆變側(cè)有功、無功功率在功率發(fā)生階躍時立刻做出反應，其上升率可通過調(diào)節(jié)電容參數(shù)改變，可以看到功率階躍時系統(tǒng)不會發(fā)生失穩(wěn)且當節(jié)約結(jié)束后功率能夠快速恢復到設置的控制值，說明所搭建的MMC閉環(huán)控制策略的有效性；此外，發(fā)生連續(xù)的、較大的有功階躍（我們設置的節(jié)約幅度超過50%，且電壓等級較高）時，無功功率和直流電壓量能夠保持基本不變，說明有功、無功功率之間的相互影響作用較小，這表明逆變側(cè)MMC的雙閉環(huán)控制的解耦性能良好；并且直流電壓量能夠基本保持穩(wěn)定，這表示LCC定直流電壓控制策略能夠有效作用。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s17逆變側(cè)有功功率圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s18逆變側(cè)無功功率圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s19直流電壓波形圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s110逆變側(cè)無功功率圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s111逆變側(cè)交流電壓采用環(huán)流抑制控制器前后的仿真波形為了驗證所設計的MMC橋臂環(huán)流抑制器（CCSC）能否起到作用，我們需要通過分別對比CCSC切入直流系統(tǒng)前、后MMC模塊中單相上（或下）橋臂中電流量來確定CCSC的功效，此時，為了更加直觀的感受到CCSC所起到的作用，我們可以通過在仿真過程中暫停后再切入環(huán)流抑制器的方案得到在某時刻前、后橋臂電流的變化波形。其具體操作如下，仿真前先關閉CCSC，不提供功率階躍，不設置線路故障，設定仿真時間為10s，開啟仿真，在仿真過程中4s左右暫停，此時啟動CCSC得到最終所需的波形，此刻我們著重關注4s時刻前后的變換。由此得到的a相上橋臂電流、逆變側(cè)交流電流、MMC內(nèi)部環(huán)流和dq坐標系下環(huán)流二倍頻分量分別如圖4-12、4-13、4-14所示，通過圖4-12可以看到，在CCSC工作前，MMC的a相上橋臂電流中環(huán)流的存在，波形發(fā)生嚴重畸變，當直流系統(tǒng)投入CCSC后，MMC的a相上橋臂電流波形畸變立刻消失，變?yōu)椴ㄐ瘟己玫恼伊?，通過圖4-14可以看到MMC內(nèi)部的二倍頻環(huán)流分量變?yōu)?，MMC內(nèi)部僅包含少許直流分量，通過圖4-13可以看到逆變側(cè)交流電流量也更加接近正弦波。鑒于我們采用的環(huán)流抑制控制器是基于抑制二倍頻分量而產(chǎn)生的，仿真結(jié)果表明在CCSC作用后MMC相間交流環(huán)流量基本消失，說明MMC中所含的環(huán)流分量主要是二倍頻分量，所設計的CCSC滿足需求，能夠有效的作用。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s112MMC的a相上橋臂電流圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s113逆變側(cè)交流電流圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s114MMC內(nèi)部環(huán)流（上）MMC內(nèi)部環(huán)流q軸二倍頻分量（下）整流側(cè)直流線路接地短路故障為了驗證直流系統(tǒng)是否具有較好的穩(wěn)定性，設置整流側(cè)直流線路單極接地短路仿真實驗。仿真前在支流線路搭建了短路故障模塊，設置3s時發(fā)生單極接地故障，在0.4s后故障切除，整流直流電壓、逆變側(cè)有功功率、直流電流波形如圖4-15、4-16、4-17，有直流電流的波形可知，在3s時，整流側(cè)發(fā)生直流單極接地短路故障，直流電流會瞬間上升，但時間較短、幅度較小，整流側(cè)LCC換流器會發(fā)生強制移相，其工作模式由整流變?yōu)槟孀傾DDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>唐庚</Author><Year>2013</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tzdsdz5ebrw2pcea5w2vzreit5ertv2r9efx"timestamp="1607784538">8</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><au