Electromechanical Transient Model of HVDC Grids Based on Modular Multilevel Converter摘要提出了基于模塊化多電平換流器的直流電源電網機電暫態仿真模型.闡述了模塊化多電平換流器交流側等效模型及其控制系統模型,介紹了基于能量等效原則的換流器直流電源側等效電容的計算方法.建立了基于隱式梯形積分的直流電源網絡計算模型,能夠處理含有中間連接點的任意結構的直流電源網絡.提出了包括直流電源側故障在內的4種形式的故障處理方法.在四端直流電源電網系統中,通過與電磁暫態模型的對比,驗證了所提模型及故障處理方法的仿真準確性.
關鍵詞 : 模塊化多電平; 直流電源電壓源換流器; 直流電源電網; 機電暫態; 直流電源側故障;DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2016.2707ABSTRACTAn electromechanical transient model of HVDC grids based on modular multilevel converter (MMC) is proposed. Equivalent circuit and MMC controller is described. Calculation method for equivalent DC capacitance is presented based on energy equivalence principle. A DC network model based on implicit trapezoidal integration is built, able to deal with random structured DC network with intermediate connection node. Several events of MMC failures, including DC side fault, and dealing methods are discussed. Finally, simulations of the proposed model are compared with an electromagnetic model consisted of 31-level MMC in a four-terminal grid. The model and its control strategy is validated.
KEY WORDS : modular multilevel; VSC; DC grid; electromechanical transient; DC side fault;0 引言由于先進靈活的控制性能,基于直流電源電壓源換流器的直流電源輸電技術十分適用于新能源接入等場合[1-5].近年所提出的模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)[6-7],換流橋由數個獨立子模塊連接而成,電平數易于擴展,有效降低了開關損耗與諧波含量,是換流器技術發展應用的主要方向.直流電源電壓源換流器適于組成多端直流電源系統,隨著直流電源斷路器及控制保護技術的發展,多端直流電源系統將逐步向復雜化、網絡化的方向發展,未來可能出現直流電源電網,多端直流電源及直流電源電網被認為是解決大量分散式新能源接入的有效方案[8-10].
本文提出基于MMC的直流電源電網機電暫態仿真模型,能夠計算含有中間連接點的任意結構的直流電源網絡,能夠處理多種形式的換流器故障.在四端直流電源系統中,通過與一個由31電平MMC組成的詳細電磁暫態模型的仿真對比,驗證了所提出模型及故障處理方法的準確性.
1 模塊化多電平換流器模型1.1 交流側在交流側,MMC經過相電阻與相電感串聯支路與交流系統連接,MMC等效為受控直流電源電壓源,如圖1所示.
MMC的交流側等效直流電源電路圖1 MMC的交流側等效直流電源電路Fig. 1 Equivalent circuit on the AC side of MMC由圖1可得交流側支路三相方程:
Lcdisjdt=usj?ucj?RcisjLcdisjdt=usj?ucj?Rcisj (1)式中:usj ( j=a,b,c)為交流系統相直流電源電壓;ucj為換流器相直流電源電壓;isj為支路直流電源電流;Rc為相電阻;Lc為相電感.
通過PARK變換將式(1)映射至dq0坐標系:
式中:usd、usq為交流系統相直流電源電壓d軸與q軸分量,作為接口直流電源電壓為已知量;ucd、ucq為換流器相直流電源電壓d軸與q軸分量,由控制器計算得到;isd、isq為支路直流電源電流的d軸與q軸分量,為待求解量.式(2)表示了MMC的交流側數學模型.
1.2 直流電源側在直流電源側,MMC等效為受控直流電源電流源與電容的并聯直流電源電路,如圖2所示.
MMC的直流電源側等效直流電源電路圖2 MMC的直流電源側等效直流電源電路Fig. 2 Equivalent circuit on the DC side of MMC直流電源電流源id根據換流器交直流電源能量守恒關系確定,若忽略換流器功能損耗,則:
Pc=usdisd+usqisq?Rc(i2sd+i2sq)=udcid=PdPc=usdisd+usqisq?Rc(isd2+isq2)=udcid=Pd (3)?id=usdisd+usqisq?Rc(i2sd+i2sq)udc?id=usdisd+usqisq?Rc(isd2+isq2)udc (4)式中:Pc為換流器交流側有功功率;Pd為直流電源側功率;udc為直流電源側正負極母線間直流電源電壓.
[J].Power System Technology,2011,35(11):67-73(in Chinese).
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