-1.1課題的研究背景與意義1.1.1課題的背景近年來，我國的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展迅速，對能源的需求量也隨之增大，也進(jìn)一步加大了能源分布與電能消耗地區(qū)之間的矛盾。在我國的一次能源中，三分之二的化石能源存儲(chǔ)在西北部區(qū)域，如：山西、內(nèi)蒙古；而三分之二的水資源分布在西南部區(qū)域，如：四川。可見，我國的能源大多分布在西部，而電能的需求比較大的地區(qū)又是東部沿海的省份，急需一種安全經(jīng)濟(jì)的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)西電東輸[1-3]。大容量長距離輸電時(shí)，高壓直流輸電技術(shù)能夠與大電網(wǎng)之間進(jìn)行隔離與異步互聯(lián)，無需考慮交流輸電技術(shù)存在的關(guān)于穩(wěn)定性的多個(gè)難題。因此，無論是經(jīng)濟(jì)性還是安全可靠性，高壓直流輸電技術(shù)都比交流輸電技術(shù)更具有優(yōu)勢。高壓直流輸電技術(shù)可分為兩類：常規(guī)直流輸電技術(shù)（LineCommutedConverterHighVoltageDirectCurrent,LCC-HVDC）與柔性直流輸電技術(shù)（VoltageSourceConverterHighVoltageDirectCurrent,VSC-HVDC）[4-6]。常規(guī)直流輸電采用的開關(guān)器件是高壓大功率的晶閘管，但晶閘管的開關(guān)頻率較低且無法實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷電流，因此，限制了常規(guī)直流輸電技術(shù)的應(yīng)用范圍[7-9]。為了解決光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的功率外送問題，并提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，工作人員已漸漸發(fā)現(xiàn)了常規(guī)直流輸電技術(shù)的一些不足，具體為：常規(guī)直流輸電需要交流系統(tǒng)提高換相電流，可能出現(xiàn)換相失敗的情況；常規(guī)直流輸電只有一個(gè)控制自由度，導(dǎo)致其不能獨(dú)立控制有功功率和無功功率，電能質(zhì)量較差；常規(guī)直流輸電在不改變電壓極性的條件下，無法實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，應(yīng)用范圍較??；常規(guī)直流輸電為不可控變流，低次諧波較多[10-12]。隨著電力電子器件的更新?lián)Q代，以IGBT為代表的全控型電力電子器件發(fā)展迅速。近年來，IGBT可承載的電壓等級和額定容量持續(xù)提高，同時(shí)，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PulseWidthModulation，PWM）等調(diào)制方法不斷完備，促進(jìn)了以全控型電力電子器件IGBT為基礎(chǔ)的柔性直流輸電的發(fā)展。由于柔性直流輸電技術(shù)采用全控型電力電子器件，使其解決了常規(guī)直流輸電技術(shù)的諸多不足，增加了控制自由度，提高了電能質(zhì)量[13-16]。國際大電網(wǎng)會(huì)議將這種采用全控型電力電子器件的直流輸電技術(shù)命名為“基于電壓源換流器的高壓直流輸電”。考慮到該技術(shù)的靈活性，類比于柔性交流輸電，我國將其定義為“柔性直流輸電技術(shù)”。西門子和ABB均已在早期投入到該類技術(shù)中，分別定義為“新型直流技術(shù)”和“輕型直流技術(shù)”[17-19]。全球第一個(gè)柔性直流輸電工程-赫爾斯揚(yáng)工程于1997年在瑞典投入運(yùn)行，現(xiàn)已投入運(yùn)行的部分柔性直流輸電工程如下表所示：表1-1已投入運(yùn)行的柔性直流輸電工程序號(hào)名稱電壓等級容量電平數(shù)1赫爾斯揚(yáng)±10kV3MW22哥特蘭島±80kV50MW23Tjaereborg±9kV7.2MW24MurrayLink±150kV200MW35CrossSoundCable±150kV330MW36TrollA±60kV200MW27Esdink±150kV330MW28上海南匯±30kV18MW多電平9BritishIreland±200kV500MW多電平10INELFE±320kV2000MW多電平11南澳三端工程±160kV200MW多電平12舟山五端工程±200kV300MW多電平13大連工程±320kV1000MW多電平14NordBalt±300kV700MW多電平15廈門工程±320kV1000MW多電平隨著大功率的電力電子器件的開發(fā)以及成本的降低，表1-1中的柔性直流輸電工程的電壓等級、容量呈上升的趨勢，且近年的換流站的大多采用模塊化多電平換流器（ModularMultilevelConverter,MMC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與兩電平和三電平換利器相比，MMC具有開關(guān)頻率低、便于拓展、損耗小、諧波量低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為柔性直流輸電工程中優(yōu)先選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。可見，依據(jù)的技術(shù)的開發(fā)和柔性直流輸電的優(yōu)點(diǎn)，基于MMC的柔性直流輸電技術(shù)是未來長距離大容量輸電技術(shù)的重要方向[20-22]。多端柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC-MTDC）由兩個(gè)以上的換流站構(gòu)成，且換流站之間通過直流線路連接。與兩端的柔性直流輸電相比，VSC-MTDC能夠同時(shí)連接多個(gè)交流系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)多落點(diǎn)受供電，提高了VSC-HVDC的靈活性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。隨著全控型電力電子器件的發(fā)展，VSC-MTDC是未來直流輸電領(lǐng)域的方向，并進(jìn)一步構(gòu)建成大范圍的直流電網(wǎng)[23-26]。我國現(xiàn)已建成南澳三端柔性直流輸電工程和舟山五端柔性直流輸電工程。其中，南澳工程將MMC-MTDC用于風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)，且未來還會(huì)增加在三端的基礎(chǔ)上增加換流站。舟山工程將MMC-MTDC用于連接舟山、岱山、泗山等5個(gè)島嶼，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)互聯(lián)。除了我國，歐洲的英國、法國、荷蘭等國家也正在籌建構(gòu)建包含MMC-MTDC的歐洲超級大電網(wǎng)，以充分利用歐洲的可再生能源發(fā)電，比如：丹麥的潮汐發(fā)電、德國的光伏發(fā)電、英國的風(fēng)力發(fā)電、挪威的水利發(fā)電[27-29]。根據(jù)以上的分析，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，MMC-MTDC是實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電并網(wǎng)、高壓長距離輸電、多海島供電以及解決城市配電問題的有效途徑，具有良好的應(yīng)用前景，是未來電能運(yùn)輸方面重要的方向之一[30-31]。1.1.2課題的意義柔性直流系統(tǒng)中最簡單的結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)換流站組成的系統(tǒng)，即雙端柔性直流輸電系統(tǒng)，但其無論在可靠性與靈活性還是在經(jīng)濟(jì)性等方面都有一些不足，具體為：（1）在直流線路或者一端換流站發(fā)生故障時(shí)，由于不存在其他的輸電通路，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)直流輸電系統(tǒng)退出運(yùn)行，可靠性和靈活性較差。（2）電源與負(fù)荷之間采用單一的線路相連，兩端均需要一整套的換流站設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性較低[32-34]。針對以上問題，多端柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC-MTDC）采用多個(gè)換流站相互連接的方式，與雙端系統(tǒng)相比，靈活性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性均較好，能夠有效解決上述問題。VSC-MTDC在很多領(lǐng)域都可以得到有效的利用，例如：（1）城市交直流混合供電。與LCC-HVDC相比，VSC-MTDC不需要考慮交流系統(tǒng)的短路容量。此外，VSC-MTDC不但可以提高城市供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，還能夠解決輸電走廊導(dǎo)致的送電容量問題?？紤]到VSC-MTDC的易拓展性，便于未來的城市電網(wǎng)改造升級。（2）多落點(diǎn)受電與供電。采用VSC-MTDC，可以將來自多個(gè)電能基地的電能輸送到多個(gè)負(fù)荷地點(diǎn)。（3）新能源發(fā)電并網(wǎng)。以光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電廠多在離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，并且間歇性能源的隨機(jī)性還會(huì)影響到電網(wǎng)的電能質(zhì)量與穩(wěn)定性。VSC-MTDC能夠有效減小新能源發(fā)電對電網(wǎng)的影響并提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，是新能源發(fā)電并網(wǎng)的有效手段。（4）直流配電。VSC-MTDC還可以構(gòu)成以高壓直流電纜為主要輸電通道的直流配電系統(tǒng)，其能夠提高供電系統(tǒng)的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性，提升系統(tǒng)控制潮流的能力與電能直流，促進(jìn)我國智能電網(wǎng)的發(fā)展[36-38]。VSC-MTDC具有良好的運(yùn)行靈活性、安全可靠性與經(jīng)濟(jì)性，但是，其控制策略與故障保護(hù)方式均比雙端系統(tǒng)復(fù)雜，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。VSC-MTDC通過實(shí)現(xiàn)多個(gè)換流站之間的協(xié)調(diào)控制，可以有效提升系統(tǒng)的故障穿越能力，進(jìn)而保證系統(tǒng)的輸電能力[39-41]。目前，國內(nèi)外研究人員對VSC-MTDC的研究，特別是基于MMC的VSC-MTDC的研究尚在起步階段。我國在多端柔性直流輸電領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，現(xiàn)已建成南澳三端柔性直流輸電系統(tǒng)、舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)。由于直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的趨于復(fù)雜，MMC-MTDC的控制策略不僅僅需要滿足自身的要求，還應(yīng)該保證多個(gè)換流站之間的協(xié)調(diào)控制，以提高M(jìn)MC-MTDC的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和故障處理能力。協(xié)調(diào)控制策略應(yīng)同時(shí)滿足直流系統(tǒng)對電壓和功率的要求[42-43]。本文所研究的多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，不但可以為多端柔性直流輸電的設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行提供理論依據(jù)，還能夠?yàn)槲⒕W(wǎng)運(yùn)行、新能源發(fā)電、交直流混合輸配電等領(lǐng)域提供技術(shù)支持。因此，本文所提出的基于MMC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略具有一定的理論依據(jù)和實(shí)際價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀換流器是柔性直流輸電系統(tǒng)中重要的組成部分，換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從兩電平、三電平發(fā)展到多電平的過程。由于柔性直流輸電系統(tǒng)的電壓等級較高，采用兩電平和三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要大量電子電子器件相互級聯(lián)以滿足大容量和高電壓的要求。因此，對電力電子器件的一致性要求較高。2002年，模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被首次提出，MMC的諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為可能替換兩電平和三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是多電平高壓直流輸電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)研究了MMC-HVDC的多個(gè)領(lǐng)域并取得了一定的成果，例如：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、環(huán)流抑制、電容電壓平衡、控制策略以及調(diào)制策略。在數(shù)學(xué)模型方面，文獻(xiàn)[44]利用電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式得出MMC的等效模型，并將瞬時(shí)功率理論和開關(guān)函數(shù)結(jié)合進(jìn)一步得出了MMC的解析模型。最終，通過仿真驗(yàn)證了該模型的正確性、有效性和高精度。在調(diào)制策略方面，文獻(xiàn)[45]在五電平的MMC-HVDC中應(yīng)用了空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM），但該調(diào)制技術(shù)的控制算法會(huì)隨著電平數(shù)的增加變的更加復(fù)雜，不利于在更多電平的MMC中使用。針對此問題，文獻(xiàn)[46]和文獻(xiàn)[47]分別提出了最近電平逼近調(diào)制（NLM）和載波移相脈寬調(diào)制策略（CPS-SPWM）。文獻(xiàn)[46]給出了NLM的實(shí)現(xiàn)方法，并對基波和諧波特性、表達(dá)式進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)了在電平數(shù)較多的MMC中，NLM能夠很好的跟隨調(diào)制波且波形梯度較小，但其不宜應(yīng)用在電平數(shù)較低的場合。文獻(xiàn)[47]指出CPS-PWM不但可以得到良好的輸出波形、開關(guān)頻率較低，而且其不受MMC中電平數(shù)的限制，具有良好的應(yīng)用前景。在電容電壓平衡方面，針對常規(guī)“排序法”的開關(guān)損耗較大的問題，文獻(xiàn)[48]使用最大電容電壓偏差的方法，減少了電力電子元件的投切次數(shù)，進(jìn)而減小了相應(yīng)的開關(guān)損耗。文獻(xiàn)[49]提出了利用PI環(huán)節(jié)對子模塊電容進(jìn)行均壓、穩(wěn)壓控制，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了電容電壓平衡。盡管省去了“排序法”，但加劇了控制的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[50]提出了一種調(diào)整子模塊投入時(shí)間的動(dòng)態(tài)電容電壓平衡算法，該算法適用于載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。在環(huán)流抑制方面，文獻(xiàn)[51]提出了一種基于二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的附加抑制環(huán)流控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了環(huán)流抑制。文獻(xiàn)[52]采取增加橋臂電抗器值以實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制的目的，但該方法的附加損耗較低，不利于在工程中實(shí)際使用。文獻(xiàn)[53]提出了一種基于MMC無需相間解耦和坐標(biāo)變換的通用環(huán)流抑制方法，且該文獻(xiàn)分析了環(huán)流抑制的重要性。在控制策略方面，文獻(xiàn)[54]采取直接電流控制的方法，利用內(nèi)外環(huán)控制研究了MMC的控制特性。文獻(xiàn)[55]在文獻(xiàn)[54]的基礎(chǔ)上，研究了MMC-HVDC的故障特性，驗(yàn)證了內(nèi)外環(huán)控制良好的特性。但該方法會(huì)增加系統(tǒng)中的PI環(huán)節(jié)，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[56]指出主從控制能夠良好的控制直流電壓和調(diào)節(jié)功率，但處理故障的能力較差。文獻(xiàn)[57]將公共直流電壓參考值引入到直流電壓斜率控制中，該公共直流電壓參考值作為多個(gè)換流站的反饋信號(hào)，提高了MMC-MTDC的安全性。盡管研究人員已經(jīng)對柔性直流輸電的眾多領(lǐng)域展開了研究，并獲得了大量的科研成果。然而，MMC-MTDC是新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，仍存在許多等待解決的問題，特別是MMC-MTDC換流站之間的協(xié)調(diào)控制策略。因此，本文對基于MMC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略展開了研究。1.3本文的主要工作綜上所述，在新能源發(fā)電并網(wǎng)、大容量遠(yuǎn)距離輸電等方面，MMC-MTDC較VSC-HVDC具有更多的優(yōu)點(diǎn)，但其仍有較多的問題等待解決。為了提高直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和功率的合理分配，本文對MMC-MTDC的協(xié)調(diào)控制策略展開了研究，為柔性直流輸電技術(shù)提供了理論技術(shù)參考，具體為：（1）本文在分析MMC-MTDC的優(yōu)點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，研究了模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而指出了MMC子模塊的6種工作狀態(tài)和三相MMC的工作原理。本文介紹了MMC的調(diào)制原因，分析了NLM和CPS-SPWM的工作原理和適用領(lǐng)域，并介紹了調(diào)制策略的選擇方法。（2）本文簡要介紹了MMC-MTDC的三層控制策略。并以模塊化多電平換流器的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了MMC的在abc三相靜止坐標(biāo)系和dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而設(shè)計(jì)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的內(nèi)外環(huán)控制器。（3）本文指出主從控制、直流電壓斜率控制和電壓偏差控制的有缺點(diǎn)。鑒于傳統(tǒng)的電壓偏差控制未考慮線路電阻，影響MMC-MTDC的穩(wěn)定性，因此，本文提出了一種改進(jìn)的電壓偏差控制方法以實(shí)現(xiàn)MMC-MTDC的協(xié)調(diào)控制。（4）在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)中搭建了三端MMC-MTDC的仿真模型，對所提出的改進(jìn)電壓控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明了該控制方法的正確性和有效性。第2章模塊化多電平換流器2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器及其子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示。其中，MMC為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每一相由上、下兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂又由若干個(gè)級聯(lián)的子模塊與橋臂電抗器構(gòu)成。三個(gè)相單元的交流節(jié)點(diǎn)分別連接外部交流系統(tǒng)的abc三相，直流節(jié)點(diǎn)并聯(lián)連接直流輸電線路。MMC的主要組成部分為子模塊，子模塊由反向并聯(lián)的IGBT與二極管組及其電容構(gòu)成?？梢园l(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的VSC相比，MMC省去了直流側(cè)電容，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠通過控制子模塊的投入與切除得到滿足要求的電壓波形，還可以通過增加子模塊的數(shù)量實(shí)現(xiàn)提高電壓等級。此外，MMC的電抗器直接安裝在橋臂中，可以有效的抑制環(huán)流。根據(jù)以上特點(diǎn)，模塊化多電平換流器特別適用于高壓直流輸電領(lǐng)域。圖2-1MMC及子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.2工作原理2.2.1子模塊工作原理半橋型的子模塊（SM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-2所示。其中，T1與T2為IGBT，D1與D2是反向并聯(lián)二極管，C0為直流側(cè)電容，該子模塊通過連接點(diǎn)A、B與其他子模塊進(jìn)行級聯(lián)連接。uSM為子模塊輸出電壓，uc為電容電壓，iSM為子模塊電流。圖2-2子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)IGBT的開關(guān)狀態(tài)及流經(jīng)子模塊電流方向的不同，子模塊可分為3種不同的工作狀態(tài)，具體為：（1）在工作狀態(tài)1的情況下，T1與T2均為斷開狀態(tài)，如圖2-3所示。當(dāng)電流iSM從A點(diǎn)流入子模塊時(shí)，此時(shí)D1導(dǎo)通、D2截止，電容為充電狀態(tài)，uSM為電容電壓。此時(shí)，子模塊一般處于啟動(dòng)過程中的預(yù)充電狀態(tài)。當(dāng)電流iSM從B點(diǎn)流入子模塊時(shí)，此時(shí)D2導(dǎo)通、D1截止，電容為短路狀態(tài)，uSM為零。此時(shí)，子模塊一般處于故障隔離的狀態(tài)。圖2-3T1、T2斷開（2）在工作狀態(tài)2的情況下，T1導(dǎo)通、T2斷開，如圖2-4所示。當(dāng)電流iSM從A點(diǎn)流入子模塊時(shí)，D1導(dǎo)通，但由于T1和D2承受反向電壓均處于截止?fàn)顟B(tài)，電容為充電狀態(tài)。當(dāng)電流iSM從B點(diǎn)流入子模塊時(shí)，T1導(dǎo)通，D1和D2承受反向電壓均處于截止?fàn)顟B(tài)，電容為放電狀態(tài)。該種工作狀態(tài)下，子模塊處于正常的工作狀態(tài)，輸出電壓為電容電壓。根據(jù)電流的方向不同，電容分別處于充電或者放電狀態(tài)。圖2-4T1導(dǎo)通、T2斷開（3）在工作狀態(tài)3的情況下，T1斷開、T2導(dǎo)通。當(dāng)電流iSM從A點(diǎn)流入子模塊時(shí)，D1和D2由于承受反向電壓而截至，電流經(jīng)T2流向B點(diǎn)，電容處于切除狀態(tài)。當(dāng)電流iSM從B點(diǎn)流入子模塊時(shí)，D1和T2由于承受反向電壓而截至，電流經(jīng)D2流向A點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在該種工作狀態(tài)下，電容不會(huì)進(jìn)行充電或者放電，uSM為零，此時(shí)子模塊為冗余狀態(tài)。圖2-5T1斷開、T2導(dǎo)通根據(jù)對三種子模塊工作狀態(tài)的分析，利用IGBT的斷開或?qū)梢钥刂谱幽K輸出電壓uSM。當(dāng)考慮多個(gè)子模塊時(shí)，通過調(diào)節(jié)子模塊的投入數(shù)量，無論MMC工作在整流側(cè)還是逆變側(cè)，其都能夠保證直流電壓穩(wěn)定與交流電壓波形良好。2.2.2MMC工作原理三相MMC等效電路圖如圖2-6所示。圖2-6三相MMC等效電路圖圖中，Udc為正負(fù)極間直流電壓，upj與unj分別為j相上、下橋臂電壓，ijp與ijn為j相上、下橋臂電流，isj為j相交流系統(tǒng)電流。圖中的橋臂電抗值較小，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電抗壓降也很小，但它起到提高穩(wěn)定性的作用：（1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，能夠有效抑制相間環(huán)流；（2）發(fā)生故障時(shí)，能夠減小故障電流沖擊。MMC正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)滿足交流電壓和直流電壓穩(wěn)定。交流電壓是通過控制上橋臂和小橋臂投入子模塊的數(shù)量，即通過調(diào)節(jié)上橋臂和下橋臂的電壓來實(shí)現(xiàn)交流電壓穩(wěn)定；直流電壓穩(wěn)定是通過控制任一時(shí)刻每相子模塊的投入數(shù)量均為N來實(shí)現(xiàn)的。在三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以a相為例，對它的工作原理進(jìn)行分析。在此，假設(shè)所有子模塊電容電壓相等且忽略橋臂電抗器上的壓降，Sapi與Sani分別為a相上、下橋臂中SM的狀態(tài)。（2-1）正負(fù)極間直流電壓與子模塊電容電壓的關(guān)系：（2-2）式中，n為a相子模塊數(shù)。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可以得到：（2-3）將式（2-3）的下式減去上式，得：（2-4）由基爾霍夫電流電流，可以得到：（2-5）將上式代入公式（2-4）中，進(jìn)一步得到：（2-6）定義相開關(guān)狀態(tài)Sa：（2-7）則可將是（2-6）改寫為：（2-8）當(dāng)交流系統(tǒng)與MMC中的零序電壓分量相等時(shí)，N點(diǎn)和O點(diǎn)的電位相同，存在（2-9）將（2-8）寫成三相形式（2-10）其中，（2-11）當(dāng)不考慮子模塊冗余的情況下，上、下橋臂的子模塊數(shù)均為N，任意時(shí)刻上、下橋臂投入子模塊的總數(shù)量為N且總電平數(shù)為N+1，即：（2-12）（2-13）可見，電平數(shù)會(huì)隨著子模塊數(shù)量的增多而增多，且電壓波形更趨于正弦。此外，公式（2-12）適用于abc三相，即三個(gè)相單元投入子模塊均為N。（2-14）交流系統(tǒng)電流會(huì)平均分配在上、下橋臂，根據(jù)相單元的對稱性，直流電流會(huì)平均分配在三相。根據(jù)基爾霍夫電流定律得到上、下橋臂的電流值：（2-15）根據(jù)以上分析可知，通過改變上、下橋臂子模塊投入的數(shù)量，能夠控制模塊化多電平換流器的交流側(cè)輸出電壓的幅值與相位，故可將其視為可控的電壓源。根據(jù)（2-10），通過控制電壓源的輸出電壓就能夠控制交流側(cè)電流，進(jìn)而控制傳遞的功率。等效電路圖如圖2-7所示。圖2-7為一般的電壓源型換流器等效電路圖，適用于兩電平、三電平與多電平的結(jié)構(gòu)。圖2-7VSC等效電路圖如圖2-7所示，Us為交流系統(tǒng)電壓幅值，Uc與分別為柔性直流輸電系統(tǒng)的輸出交流電壓幅值和相角，Lm/2為等效電抗，可得交流系統(tǒng)與VSC之間流通的有功功率和無功功率：（2-16）從公式（2-16）可以看出，有功功率P的大小和方向只與有關(guān)，調(diào)節(jié)就能夠改變有功功率的流通方向。當(dāng)時(shí)，換流站發(fā)出有功功率，為整流站；當(dāng)時(shí)，換流站吸收有功，為逆變站。無功功率大小和方向主要與Uc，當(dāng)時(shí)，換流站發(fā)出無功功率，否則，換流站吸收無功功率。2.3調(diào)制策略研究2.3.1調(diào)制的原因傳統(tǒng)的LCC-HVDC系統(tǒng)使用的電力電子器件為半控型的晶閘管，由于晶閘管只能控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷，必須利用交流系統(tǒng)提供截止電壓。LCC-HVDC通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角來控制直流電壓，盡管它比交流輸電擁有更多的優(yōu)點(diǎn)，但LCC-HVDC的運(yùn)行過程中需要無功補(bǔ)償裝置來提供大量的無功功率，增加了運(yùn)行成本。此外，由于LCC-HVDC需要電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)換相，會(huì)發(fā)生換相失敗的故障，增加了運(yùn)行過程的不穩(wěn)定性。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，全控型電力電子器件（如：IGBT）被應(yīng)用在直流輸電領(lǐng)域，構(gòu)建了即可導(dǎo)通也可關(guān)斷的換流站。與傳統(tǒng)LCC-HVDC相比，VSC-HVDC的波形質(zhì)量更高、不存在換相失敗的問題、省去無功補(bǔ)償裝置進(jìn)而降低成本。但是，控制難度也隨之升高，故需良好的調(diào)制方式來控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。2.3.2調(diào)制方式的選擇在給定系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄?、無功功率或直流電壓的情況下，利用控制器可以計(jì)算出期望的調(diào)制正弦波。MMC作為連接交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的中間裝置，一定要選擇性能優(yōu)良的調(diào)制方式對子模塊的開通與關(guān)斷進(jìn)行控制，使其無論在整流還是逆變的請況下都能夠得到滿足系統(tǒng)要求的交流電壓與直流電壓。調(diào)制方式應(yīng)滿足3點(diǎn)要求：（1）波形特性良好。產(chǎn)生的電壓波形應(yīng)該盡可能接近調(diào)制波，且電壓波形盡量平滑減小諧波量。（2）速度快。產(chǎn)生的電壓應(yīng)該快速跟蹤調(diào)制波。（3）損耗低。在保證電壓波形的前提下，盡量減少IGBT的開關(guān)次數(shù)，進(jìn)而降低損耗。目前多電平的調(diào)制方式主要包括兩種：脈沖寬度調(diào)制（PWM）和最近電平逼近調(diào)制（NLM）。由于以上3點(diǎn)要求之間相互制約，二者均不能同時(shí)滿足，應(yīng)充分考慮應(yīng)用場合與調(diào)制方式特性，選擇最能滿足要求的調(diào)制方式。下面對脈沖寬度調(diào)制和最近電平逼近調(diào)制做簡要介紹。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是利用寬度不同的觸發(fā)信號(hào)對換流站中的IGBT進(jìn)行開通與關(guān)斷控制，進(jìn)而得到期望的交流電壓，其多應(yīng)用在兩電平和三電平的VSC中，具有十分重要的作用。它的主要功能如下：（1）故障時(shí)，換流站能夠快速響應(yīng)。（2）產(chǎn)生的電壓波形接近調(diào)制波。（3）利用調(diào)制比控制直流電壓和交流電壓的比值。（4）輸出電壓的諧波量較低。盡管PWM在兩電平和三電平領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用特性，但隨著電平數(shù)的增多，PWM趨于復(fù)雜使其不能滿足要求。圖2-9是PWM相電壓波形圖。圖2-8PWM相電壓波形圖為了克服PWM在電平數(shù)較多的不適用性，最近電平逼近調(diào)制漸漸被應(yīng)用在MMC領(lǐng)域。最近電平逼近調(diào)制根據(jù)某一時(shí)刻正弦波的數(shù)值投入一定數(shù)量的子模塊，使最近的電平數(shù)接近調(diào)制波。與PWM相比，NLM的開關(guān)頻率較低、開關(guān)損耗下降，電壓梯度小、電壓質(zhì)量高。此外，NLM僅需控制投入的子模塊數(shù)量而不需調(diào)整脈沖寬度，便于實(shí)現(xiàn)。模塊化多電平換流器往往串聯(lián)多個(gè)子模塊以滿足高電壓大容量的應(yīng)用要求，此時(shí)，NLM可以輸出波形十分良好的交流電壓，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。但在電平數(shù)較低的換流站中，NLM的優(yōu)點(diǎn)不夠明顯。圖2-9NLC相電壓波形2.3.3最近電平逼近調(diào)制本文將NLM應(yīng)用在所搭建的仿真模型中，下面對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。最近電平逼近調(diào)制是利用最近的電平數(shù)接近調(diào)制波的正弦值，故也稱為求值取整法，該方法比較簡單且易于實(shí)現(xiàn)。特別是在高壓大容量的MMC-HVDC中，由于IGBT與電容的耐壓水平和傳輸功率有限，每個(gè)橋臂需要幾十個(gè)甚至幾百個(gè)子模塊。在這種情況下使用PWM調(diào)制方式會(huì)在很大程度上增加系統(tǒng)的控制難度，而使用NLM調(diào)制方式卻避免了這個(gè)難題，且減小IGBT的開關(guān)損耗進(jìn)而降低MMC的總損耗。在對NLM進(jìn)行研究時(shí)，做2點(diǎn)假設(shè)：（1）忽略控制器的觸發(fā)延時(shí)和計(jì)算時(shí)間，即逼近過程無延時(shí)。（2）忽略干擾和外部損耗，即逼近過程無誤差。如圖2-9所示，NLM中階梯波的電壓變化值為子模塊電容電壓Uc，且調(diào)制波和階梯波的瞬時(shí)誤差在的范圍內(nèi)。每個(gè)子模塊的電容電壓保持一致，在利用階梯波接近調(diào)制正弦波時(shí)，控制子模塊的投切數(shù)目可以累加出不同的電平數(shù)，進(jìn)而輸出最理想的階梯波。模塊化多電平換流器中上、下橋臂子模塊數(shù)量必須相等均為N，則可輸出的電平數(shù)為N+1。在輸出平滑的交流電壓的同時(shí)，為了保證直流電壓的穩(wěn)定，任意時(shí)刻上、下橋臂投入的子模塊總數(shù)量也必須為N。假設(shè)上橋臂投入的子模塊數(shù)量為Np，下橋臂投入的子模塊數(shù)量為Nn，Np與Nn都在0~N的范圍內(nèi)，并有Np+Nn=N。以a相為例，根據(jù)以上的分析可以得到上、下橋臂投入子模塊的瞬時(shí)值：（2-17）式中，是四舍五入的取整函數(shù)，是a相調(diào)制波的瞬時(shí)值。根據(jù)公式（2-17），可得到NLM的調(diào)制流程圖，如圖（2-10）所示。圖2-10NLM流程圖對于最近電平逼近調(diào)制，子模塊電容電壓平衡是保證該調(diào)制方法精確性的重要因素，故NLM需要與子模塊電容電壓平衡算法協(xié)調(diào)使用。通常的子模塊電容電壓平衡算法采取電容電壓排列法，具體步驟如下：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測MMC每個(gè)橋臂的電容電壓瞬時(shí)值；（2）監(jiān)測橋臂電流流通方向，判斷子模塊的充放電狀態(tài)。如果從電容正極流入，則為充電；否則，為放電。（3）對子模塊電容電壓瞬時(shí)值進(jìn)行排序。當(dāng)橋臂電流從電容正極流入，即子模塊處于充電狀態(tài)，優(yōu)先投入電容電壓較低的子模塊，并切除剩余的子模塊；當(dāng)橋臂電流從電容負(fù)極流入，即子模塊處于放電狀態(tài)，優(yōu)先投入電容電壓較高的子模塊，并切除剩余的子模塊。2.4本章小結(jié)本章在模塊化多電平換流器及其子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了二者的工作原理，得出MMC交直流電壓關(guān)系式與子模塊的6種工作狀態(tài)；其次，介紹了MMC的調(diào)制原因并對比了PWM與NLM的適用范圍；最后，對NLM的調(diào)制方法、流程以及電容電壓平衡算法進(jìn)行了研究，為下文的研究提供了理論基礎(chǔ)。3.1控制策略概述圖3-1為三端MMC-MTDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-1三端MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖在圖3-1中，us1、us2、us3是三端MMC交流系統(tǒng)電壓，i1、i2、i3是三端MMC交流側(cè)電流，L1、L2、L3是交流側(cè)的等效電感，R1、R2、R3是交流側(cè)的等效電阻，e1、e2、e3為三端MMC交流節(jié)點(diǎn)處電壓，Rdl1、Rdl2、Rdl3是三條電纜等效電阻，Ldl1、Ldl2、Ldl3是三條電纜等效電感，Udc1、Udc2、Udc3是三端MMC直流側(cè)電壓，Idc1、Idc2、Idc3是三端MMC直流電流。MMC-MTDC中的整流站和逆變站之間通過直流電纜來傳輸有功功率和無功功率，而控制系統(tǒng)能夠決定功率的傳輸方向和大小。因此，控制系統(tǒng)的性能對MMC-MTDC的運(yùn)行起著決定性的作用。在MMC-MTDC中，根據(jù)上層調(diào)度的指令，利用控制系統(tǒng)計(jì)算出調(diào)制正弦波，調(diào)制策略根據(jù)該調(diào)制正弦波實(shí)現(xiàn)對換流閥中IGBT的開斷控制，最終實(shí)現(xiàn)MMC-MTDC的電壓與潮流控制。除此之外，控制系統(tǒng)的性能也是保證MMC-MTDC安全穩(wěn)定運(yùn)行與故障恢復(fù)能力的重要因素。多端柔性直流輸電的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要分為3個(gè)層次：系統(tǒng)級控制、換流站級控制以及換流閥級控制。三者之間的關(guān)系如圖3-2所示。圖3-2分層控制關(guān)系圖3.1.1系統(tǒng)級控制如圖3-2所示，MMC-MTDC的系統(tǒng)級控制接收來自調(diào)度中心的有功類和無功類物理量設(shè)定值，再將經(jīng)控制器運(yùn)算而產(chǎn)生的有功類和無功類物理量參考值輸入到換流站級控制?？梢?，系統(tǒng)級控制是MMC-MTDC中的頂層控制，也是維持MMC-MTDC可靠運(yùn)行、平穩(wěn)切換運(yùn)行方式的重要保障。由于MMC-MTDC使用全控型電力電子器件，故其可以獨(dú)立的控制有功分量和無功分量，因此可將系統(tǒng)級控制分為有功類控制和無功類控制。有功類控制是對與有功功率相關(guān)的物理量進(jìn)行直接或間接控制，有功類控制包括：定直流電壓控制、定有功功率控制、定頻率控制；無功類控制是對與無功功率相關(guān)的物理量進(jìn)行直接或間接控制，無功類控制包括：定交流電壓控制、定無功功率控制。在MMC-MTDC運(yùn)行時(shí)，換流站僅可以在有功類和無功類控制中各挑選一個(gè)控制方式。為了維持MMC-MTDC的功率平衡以及直流電壓穩(wěn)定，必須有且僅有一個(gè)換流站運(yùn)行在定直流電壓的控制方式，其余換流站運(yùn)行在其他有功類控制方式下。在MMC-MTDC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，流入系統(tǒng)的功率也必然等于流出系統(tǒng)的功率加上系統(tǒng)損耗。3.1.2換流站級控制如圖3-2所示，換流站級控制接收來自系統(tǒng)級控制的有功類和無功類物理參考值，再將所產(chǎn)生的調(diào)制波輸入到換流閥級控制中。隨著對控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求，以往的直流控制已經(jīng)不能滿足應(yīng)該場合，間接控制其速度快、精度高被廣泛的應(yīng)用在MMC-MTDC中。間接控制通過控制直流輸電系統(tǒng)輸出交流電壓的幅值和相角以實(shí)現(xiàn)控制需求，其可分為內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制?？紤]到應(yīng)用的廣泛性，本文使用間接控制并對MMC-MTDC進(jìn)行分析，間接控制的原理將在下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。除了間接控制以為，為了使系統(tǒng)擁有更好的性能，研究人員也提出了很多新的控制方式。3.1.3換流閥級控制如圖3-2所示，換流閥級控制接收來自換流站控制的調(diào)制波，再經(jīng)過合適的調(diào)制方式和電容電壓平衡策略產(chǎn)生IGBT的觸發(fā)信號(hào)。該部分屬于MMC-MTDC控制中的底層控制部分，直接對電力電子器件的開通與關(guān)斷進(jìn)行控制。本文中選用了適用于MMC的最近電平逼近調(diào)制法。除了調(diào)制策略之外，換流閥級控制還包括均壓控制和環(huán)流抑制。均壓控制能夠抑制子模塊電容電壓不平衡的問題，進(jìn)而提高最近電平調(diào)制法的精確度和調(diào)制效果。均壓控制是通過橋臂電流的流通方向、子模塊充/放電狀態(tài)以及子模塊電容電壓排序來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)橋臂電流的方向是流入子模塊時(shí)，此時(shí)子模塊為充電狀態(tài)，為了減小子模塊間的電壓差值，此時(shí)投入電容電壓較低的子模塊。同理，當(dāng)橋臂電流的方向是流出子模塊時(shí)，此時(shí)投入電容電壓較高的子模塊。由于abc三相之間存在能量不匹配的問題，會(huì)在相間產(chǎn)生以二倍頻為主的交流環(huán)流。該環(huán)流不會(huì)影響外部交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，但會(huì)增加子模塊中電力電子器件的使用壽命和附加損耗。環(huán)流抑制控制是將產(chǎn)生環(huán)流的電壓信號(hào)附加到MMC的調(diào)制信號(hào)中，再將修正后的調(diào)制信號(hào)作用到橋臂上。3.2MMC-MTDC數(shù)學(xué)模型3.2.1三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型MMC-MTDC的換流站均采用相同的結(jié)構(gòu)，以單站為例進(jìn)行說明即可。如圖3-3是單站MMC等效電路圖。圖3-3單站MMC等效電路示意圖圖中，usa、usb、usc是外界交流系統(tǒng)三相電壓，uca、ucb、ucc是換流站內(nèi)交流節(jié)點(diǎn)三相電壓，ia、ib、ic是交流三相電流，Uua、Uub、Uuc是上橋臂電壓，Ula、Ulb、Ulc是下橋臂電壓。根據(jù)圖3-3，可得下式（3-1）式中，上式是三相靜止坐標(biāo)系下的MMC數(shù)學(xué)模型，是其他數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)理論，并有：（3-2）（3-3）3.2.2兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型由于公式（3-1）中的物理量是根據(jù)時(shí)間變化的量，為了便于分析與控制，需要將其轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，即經(jīng)過派克變換轉(zhuǎn)化到dq坐標(biāo)系下，變化矩陣為：（3-4）式中，為usa的余弦相角。利用式（3-4）對式（3-1）進(jìn)行變換，可得dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的MMC數(shù)學(xué)模型：（3-5）根據(jù)瞬時(shí)功率理論，可得三相靜止坐標(biāo)系下的有功和無功功率：（3-6）進(jìn)一步得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的有功和無功功率：（3-7）當(dāng)電網(wǎng)電壓與d軸的相位相同時(shí)，usq=0，可將事（3-7）改寫為：（3-8）3.3內(nèi)外環(huán)控制器設(shè)計(jì)根據(jù)MMC兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以得到間接控制器，間接控制器由兩部分組成，分別是：內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)功率控制器，示意圖如圖3-4所示。其中，外環(huán)控制器利用控制算法對來自系統(tǒng)級的有功和無功類參考值進(jìn)行計(jì)算，得到d軸和q軸的電流參考值輸入到內(nèi)環(huán)電流控制器中。內(nèi)環(huán)電流控制器對d軸和q軸的參考值進(jìn)行計(jì)算分析，得到換流器的輸出電壓，生成調(diào)制正弦波。圖3-4內(nèi)外環(huán)控制器示意圖3.3.1內(nèi)環(huán)電流控制器根據(jù)公式（3-5），可見d軸和q軸的電流與換流站交流節(jié)點(diǎn)電壓dq分量、電流耦合量dq分量與交流系統(tǒng)電壓dq分量有關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)解耦，可將公式（3-5）改寫為：（3-9）式中，，（3-10）可以發(fā)現(xiàn)、與id、iq為一階線性積分關(guān)系，故可用比例積分控制器實(shí)現(xiàn)控制。此外，還應(yīng)該加入電壓前饋量usd、usq以及電壓耦合量wLid、wLiq，最終解耦控制d軸和q軸的電流，如下式所示。（3-11）根據(jù)公式（3-11），可得內(nèi)環(huán)電流控制器的示意圖，如圖3-5所示。圖3-5內(nèi)環(huán)電流控制器示意圖圖3-5中的前半部分為電流解耦，后半部分為數(shù)學(xué)模型?？梢园l(fā)現(xiàn)，圖3-5中包含了電壓前饋控制和電流反饋控制，同時(shí)，能夠?qū)q電流進(jìn)行解耦控制。內(nèi)環(huán)電流控制器只要選擇合適的PI參數(shù)就能夠減小誤差、提高速度，滿足系統(tǒng)的控制要求。3.3.2外環(huán)功率控制器根據(jù)上文的分析，外環(huán)功率控制器接收來自系統(tǒng)級控制的參考值計(jì)算出內(nèi)環(huán)電流控制器的參考值，其可分為有功類和無功類。（1）定有功功率控制定有功功率控制是MMC-MTDC中常用的控制方式，目的是使換流站接收或發(fā)出指定的有功功率。有功功率與指令值的偏差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)即可得到d軸電流參考值idref，以使換流站與交流系統(tǒng)之間交換指定的有功功率，如下圖所示。當(dāng)有功功率與指令值的差值相差較大，為了避免發(fā)生積分飽和和控制器超調(diào)的問題，可在控制器的積分環(huán)節(jié)和輸出電流中加入限幅功能模塊。圖3-6定有功功率控制器示意圖（2）定直流電壓控制MMC-MTDC中必須有一個(gè)換流站運(yùn)行在定直流電壓的控制方式下，該換流站起到平衡節(jié)點(diǎn)的作用，能夠維持直流電壓穩(wěn)定。定直流電壓控制器的原理是通過控制有功功率來得使直流電壓等于參考值，直流電壓與指令值的偏差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)即可得到d軸電流參考值idref，如下圖所示。圖3-7定直流電壓控制器示意圖（3）定無功功率控制定無功功率控制是使換流站發(fā)出或吸收指定的無功功率。無功功率與指令值的偏差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)即可得到q軸電流參考值iqref，以調(diào)整交流電壓的幅值，最終控制與交流系統(tǒng)交換的無功功率，如下圖所示?？梢?，柔性直流輸電能夠綜合控制有功功率和無功功率，較傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)增加了自由度，提高了直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定極限。圖3-8定有功功率控制器示意圖（4）定交流電壓控制當(dāng)MMC-MTDC的某一換流站連接無源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該換流站的無功類控制應(yīng)使用定交流電壓控制以維持交流電壓穩(wěn)定。由于交流電壓與無功功率密切相關(guān)，其實(shí)際目的是改變系統(tǒng)無功功率。交流電壓與指令值的偏差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)即可得到q軸電流參考值iqref，如下圖所示。圖3-9定交流電壓控制器示意圖3.4.主從控制主從控制是目前特別成熟的控制方式，本文以三端MMC-MTDC為例對其進(jìn)行介紹。對三端MMC-MTDC的主從控制介紹之前，先做以下假設(shè)：（1）每個(gè)換流站均與穩(wěn)定交流系統(tǒng)相連接；（2）忽略電纜的電阻和電抗；（3）換流站流入直流電纜是功率正方向。三端MMC-MTDC的主從控制特性曲線如圖3-10所示，該圖表示了直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的直流電壓-有功功率的關(guān)系。其中，主換流站為換流站1起到維持直流系統(tǒng)電壓和功率平衡的作用，換流站1應(yīng)該留出一定的調(diào)節(jié)空間，從換流站為換流站2和換流站3起到傳輸指定功率值的作用。圖3-10中的虛線框表示的三端MMC-MTDC中各個(gè)換流站的直流電壓和有功功率的運(yùn)行范圍，在該系統(tǒng)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，換流站1維持系統(tǒng)電壓并釋放有功功率，而換流站2換流站3吸收有功功率，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在A點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，上層控制系統(tǒng)結(jié)合干擾情況重新計(jì)算換流站的指令值。當(dāng)換流站3所需的有功功率增大，此時(shí)工作狀態(tài)的改變一般由主換流站即換流站1實(shí)現(xiàn)，其余換流站繼續(xù)保持原有的工作狀態(tài)，如圖3-10中的運(yùn)行點(diǎn)B；也可以多個(gè)換流站共同調(diào)節(jié)到新的運(yùn)行狀態(tài)，如圖3-10中的運(yùn)行點(diǎn)C。圖3-10主從控制特性曲線以上分析是以MMC-MTDC的交流側(cè)均為交流系統(tǒng)為前提，當(dāng)MMC-MTDC的一端交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該換流站采取交流電壓控制。由于交流側(cè)用戶負(fù)荷的多變性，該換流站的影響是具有隨機(jī)性的。當(dāng)交流側(cè)負(fù)荷恒定時(shí)，它的控制特性與上文一致。當(dāng)交流側(cè)負(fù)荷變化時(shí)，控制特性的運(yùn)行點(diǎn)會(huì)在特性線來回?cái)[動(dòng)，此時(shí)，上層的控制根據(jù)功率的變化值對剩余換流站的指令值進(jìn)行調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)示意圖如圖3-11所示。圖3-11連接無源網(wǎng)絡(luò)的MMC-MTDC控制示意圖主從控制方式較簡單且易于實(shí)現(xiàn)，但其對上層控制和通訊設(shè)施的要求較高，適用于背靠背的柔性直流輸電系統(tǒng)。為了驗(yàn)證本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略，在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境中搭建了基于MMC的三端多端柔性直流輸電系統(tǒng)，如圖4-1所示。其中，換流站1為整流站，換流站2和換流站3為逆變站。各個(gè)換流站的交流側(cè)均為穩(wěn)定的交流系統(tǒng)，換流站的直流側(cè)利用3條50千米的電纜形成星型結(jié)構(gòu)。具體參數(shù)如表4-1所示。圖4-1三端柔性直流輸電系統(tǒng)PSCAD仿真模型表4-1仿真模型參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)附注額定容量SN300MVA1.0pu交流電壓額定值220kV額定頻率50Hz交流線路單位阻抗0.3Ω/km變壓器變比及接線220kV/110kVYnd11橋臂等效電抗53mH直流母線電壓200kV子模塊電容0.7mF子模塊額定運(yùn)行電壓20kV橋臂子模塊數(shù)量10換流站2功率參考值-100MW換流站3功率參考值-75MWUdrefH210kVUdrefL185kVPdrefH200MWPdrefL-200MW在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，該仿真模型的波形圖如下所示：a)換流站1交流電壓波形圖b)換流站1交流電流波形圖c)換流站2交流電壓波形圖d)換流站2交流電流波形圖e)換流站3交流電壓波形圖f)換流站3交流電流波形圖g)系統(tǒng)有功功率波形圖h)系統(tǒng)直流電壓波形圖i)系統(tǒng)直流電流波形圖圖4-1仿真模型穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形圖如圖4-1所示，該仿真模型在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。其中，圖4-1中的a)和b)是換流站1的交流電壓與交流電流波形圖，c)和d)是換流站2的交流電壓與交流電流波形圖，e)和f)是換流站3的交流電壓與交流電流波形圖，可以發(fā)現(xiàn)交流電壓和交流電流滿足穩(wěn)定的要求且波形平滑。圖4-1中g(shù))、h)和i)分別是系統(tǒng)有功功率、直流電壓和直流電流波形圖，可以看出換流站1能夠維持期望的直流電壓，換流站2和換流站3能夠控制輸入的期望的有功功率，直流電流同樣較穩(wěn)定。東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文本文重點(diǎn)研究了基于MMC的多端柔性直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。由于傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)存在換相失敗等問題，而柔性直流輸電技術(shù)能夠獨(dú)立控制有功功率和無功功率，因此，其較傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)擁有更多的優(yōu)點(diǎn)。本文完成具體工作如下：（1）本文在分析模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，考慮MMC具有較多的電平數(shù)，常規(guī)的脈沖寬度調(diào)制已經(jīng)不適用，故本文采用最近電平逼近調(diào)制。然后本文分析了MMC-MTDC的數(shù)學(xué)模型，完成了基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的內(nèi)外環(huán)控制器。（2）本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略的研究重點(diǎn)是多端柔性直流電的系統(tǒng)級控制層面。本文介紹了傳統(tǒng)的主從控制、直流電壓斜率控制與電壓偏差控制。在三者的研究基礎(chǔ)上，本文提出了一種改進(jìn)的電壓偏差控制器?？紤]到傳統(tǒng)的電壓偏差控制未計(jì)及直流線路電阻，當(dāng)直流線路電阻較大時(shí)會(huì)影響到控制器的性能，進(jìn)而影響到整個(gè)直流系統(tǒng)的可靠性。因此，本文所提出的改進(jìn)的電壓偏差控制器考慮了直流線路電阻對控制器的作用，得到了滿足系統(tǒng)要求的電壓偏差計(jì)算公式。（3）為了驗(yàn)證本文所提出的控制策略，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)中搭建了三端基于MMC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，并將改進(jìn)的電壓偏差控制應(yīng)用在其中。仿真結(jié)果表明改進(jìn)的電壓偏差控制器能夠滿足系統(tǒng)的要求，具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。盡管本文取得一定的研究成果，由于時(shí)間和精力有限，仍然存在一些問題等待解決：（1）本文將改進(jìn)的電壓偏差控制應(yīng)用在三端柔性直流輸電系統(tǒng)中，換流站數(shù)增加的情況還需進(jìn)一步研究。（2）本文的仿真模型中以電纜作為傳輸電能的線路，采用架空線的情況，依然待以解決。[1] 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