论文总字数：20189字

摘 要

针对混合型直流侧短路故障穿越这个研究问题本文从两个方面进行优化。首先是针对设计的优化方案，这里有一部分是对工作原理的解释，其中包括了组成混合型的子模块的功能状态的讲解，数学模型的建立，传统的控制器的设计这些内容。设计时主要需要考虑到稳态、低直流电压、过调制、所需的臂电压额定值、直流故障穿越需求、半桥模块与全桥模块电容电压平衡需求等因素。通过对这些要素的综合应用优化设计方案中子模块的配置比例，配置数量，模块结构等方面，同时以此作为依据搭建仿真模型。其次是控制方案，这一部分首先是要分析短路故障电流的特点，分析传统控制策略的的劣势，在此基础上总结需要改进的部分。我们在仿真前预先设置了控制目标用来与依照控制策略搭建的仿真模型结果图像对照分析，这里我们使用了限制有功电流控制这个策略，并且为这个策略使用了之前的结构优化设计方案搭建了仿真模型，通过分析仿真结果图像来判断控制策略的有效性，分析过程中需要重点突出传统控制策略劣势点的改进结果。

关键词：模块化多电平换流器，故障穿越，直流电力系统，高压直流输电

Abstract

To solve the problem of DC side short circuit fault ride through of hybrid modular multilevel converter, this paper optimizes it from two aspects. The first is the optimization plan for the design. Here is a part of the explanation of the working principle, including the explanation of the functional state of the sub module, the establishment of the mathematical model and the design of the traditional controller. During the design, the factors such as steady-state, low DC voltage, over modulation, arm voltage rating, DC fault crossing demand, capacitor voltage balance demand of half bridge module and full bridge module should be considered. Through the comprehensive application of these elements, the configuration proportion, configuration quantity, module structure and other aspects of the hybrid modular multilevel converter design scheme are optimized, and the simulation model is built based on this. Secondly, the optimization of control scheme. This part first analyzes the characteristics of short-circuit fault current, analyzes the disadvantages of traditional control strategy, and then summarizes the parts that need to be improved. Before the simulation, we set up the control target in advance to compare with the simulation model based on the control strategy. Here we use the strategy of limiting active current control, and build a simulation model for the strategy using the previous structural optimization design, and judge the effectiveness of the control strategy by analyzing the simulation result image. In the analysis process, we need to focus on the improvement results of the disadvantages of the traditional control strategy.

Keywords：Modular multilevel converter, fault crossing, DC power system, HVDC transmission

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1选题背景和意义 1

1.2混合型的发展现状 1

1.3主要研究内容 1

第2章 的工作原理和特点 2

2.1引言 2

2.2混合型的工作原理 2

2.2.1混合型结构的概述 2

2.2.2半桥子模块的工作原理 2

2.2.3全桥子模块的工作原理 3

2.3传统的数学模型 5

2.3.1差模电压控制输出电流 6

2.3.2共模电压控制内部环流 7

2.4传统控制器设计 8

2.4.1内环电流控制器 8

2.4.2外环功率控制器 11

2.3本章小结 12

第3章 直流侧短路故障电流分析 13

3.1引言 13

3.2故障电流分析 14

3.2.1闭锁前故障电流分析 14

3.2.2闭锁后故障电流分析 15

3.3故障电流结果图像分析 16

3.3本章小结 17

第4章 混合式子模块比例配置研究 18

4.1低电压过调制运行要求 18

4.2电容电压平衡需求 19

4.3故障穿越要求 21

4.4本章小结 21

第5章 混合型控制策略研究 22

5.1传统控制策略分析 22

5.2混合型故障穿越的控制策略 22

5.2.1有功电流限制控制 22

5.2.2该控制策略下故障电流的演变 23

5.3仿真验证 24

5.4本章小结 27

第6章 总结 28

绪论

1.1选题背景和意义

模块化多电平换流器最早在2001年提出并被申请专利，它由多个结构相同的子模块级联构成[1]。子模块的结构可以分为半桥型模块、全桥型模块以及双箝位型模块型三种，本文所需要研究的混合型是由半桥结构和全桥结构组合而成的。日前模块化多电平换流器已经展现出极其重要的工程应用前景。基于的柔性直流输电技术相对于传统直流输电技术来说有以下优势：1）没有无功补偿问题，2）没有换相失败问题，3）可以为无源系统供电，4）可以同时独立调节有功功率和无功功率，5）谐波水平低，6）适合构成多端直流系统，7）占地面积小[2][3]。同时又具有损耗大，设备成本较高，容量相对较小以及不太适合长距离架空线路输电的不足[4]。其中不太适合长距离架空线路输电原因是直流侧发生故障时缺乏清除故障的手段[5]。现有应对手段为跳换流站交流侧开关，这样故障清除和直流系统再恢复的时间就比较长。当直流线路采用电缆时，由于电缆故障率低，且如果发生故障通常是永久性故障，本就应该停电检修，因此跳交流侧开关并不影响系统的可用率[6]。当直流线路采用长距离架空线时，因架空线路发生暂时性短路故障的概率很高，如果每次暂时性故障都跳交流侧开关，停电时间就会太长，从而影响柔性直流输电的可用率[7]。因此目前的直流输电技术并不完全适用于长距离架空线路输电。目前针对这一不足我们需要开发具有直流侧故障自清除能力的换流器。

1.2混合型的发展现状

事实上现在已经有多策略被提出，文献[8]基于混合直流输电系统提出了混合式直流故障穿越的优化控制策略，即在系统检测到直流线路故障时，直流电流指令信号值设置为。这种故障处理的方式能够较好地处理两端柔性直流输电系统中直流侧发生的故障[13]。文献[9][10]提出了一种可以使混合型 在单/双极直流接地/短路故障下维持不间断运行的故障穿越控制策略。文献[11]通过引入直流故障状态信号：正常运行时，为；如果系统发现了直流故障，则变为，以此实现混合型的故障穿越，但是该控制策略并不能很好的应对高阻抗状态时的故障情况。文献[12]提出一种基于全桥故障穿越控制的保护策略，在故障穿越期间，方案中换流器始终是可控的，不需要像传统策略一样在这期间切断交直流系统的连接[14]。

1.3主要研究内容

对于故障穿越这个问题本文有两个渠道解决，一个是对的设计进行优化，另一个则是优化直流故障穿越的策略。针对设计的优化方案，主要考虑到稳态、低直流电压、过调制、所需的臂电压额定值、直流故障穿越需求、半桥模块与全桥模块电容电压平衡需求等因素，通过对这些要素的综合应用优化设计方案中子模块的配置比例，配置数量，模块结构等方面，同时以此作为依据搭建仿真模型。对于控制策略，在传统的控制方案的基础上已经提出了多种控制策略，同时诞生了许多控制设备,例如阀控制器。对于桥臂由全桥子模块和半桥子模块构成的，可通过改变以往的控制策略，以达到主动限制住直流短路电流的目的从而实现故障的穿越。

第2章 的工作原理和特点

2.1引言

混合型改进自传统半桥型，通过将传统的半桥型中部分半桥子模替换成全桥型子模块构成。同属和多电平变流器，由于与半桥型结构相似，混合型可部分借鉴传统半桥的控制策略。本章首先概括混合型的基本工作原理以及构成混合型的半桥子模块和全桥子模块结构的基本工作原理。

2.2混合型的工作原理

2.2.1混合型结构的概述

混合式的拓扑结构如图2.1所示。一个换流器有6个桥臂，每个桥臂有一个电抗器和个子模块串联而成，每个桥臂上的子模块又分为个全桥子模块和个半桥子模块，每一项的上下两个桥臂合在一起称为一个相单元。

图2. 1混合型拓扑结构图

混合型的每个子模块具有一个电容，设各子模块电容已经预充电达到正常运行电压值，则每个子模块可输出电压或[15]。桥臂上所有子模块输出电压之和构成桥臂电压,其中代表相上桥臂输出电压，代表相下桥臂输出电压。采用合理的开关控制策略，控制每个桥臂投入的子模块数量，可使桥臂输出电压为一正弦分量叠加一直流分量，其中直流分量为直流侧电压的一半，即；上、下桥臂电压交流分量相位相差π，因此，每相上、下桥臂输出电压之和为直流母线电压。换流器交流侧电压和直流侧电压可分别被独立控制。

混合型能够实现整流功能和逆变功能，并且有能力在四个象限运行。与两电平、三电平相比，在相同的工作频率下，采用多电平调制技术的混合型通过相同的功率子模块串联构成换流器阀，具有更高的波形质量相比。以下两节分别介绍了混合型结构中的半桥子模块和全桥子模块的基本工作原理：

2.2.2半桥子模块的工作原理

半桥子模块的拓扑结构如图2.1所示，它有3种工作状态：

1. 当和都加关断信号时，处于闭锁状态，用于启动时向子模块充电或者在故障时将子模块电容器旁路，正常运行时不允许出现这种状态[16]。具体情况表现为状态1和状态2两种状态：①状态1为从A流入子模块从B流出时的状态，由于电流流向的关系，二极管导通，电流流经向电容充电。②状态2为从B流入子模块从A流出时的状态，由于电流流向的关系，二极管导通，电流流经将电容给旁路掉。
2. 当加关断信号而加开通信号时，处于旁路(切除)状态，此时模块输出电压为，即子模块被旁路出主电路。具体情况表现为状态3和状态4两种状态：①状态3为从A流入子模块从B流出时的状态，由于电流流向的关系，导通，不导通，电流流经将电容旁路。②状态4为从B流入子模块从A流出时的状态，由于电流流向的关系，不导通，导通，电流流经将电容给旁路掉。整个过程中不经历充放电。
3. 当加开通信号而加关断信号时，处于投入状态，直流侧电容器总被投入主电路中(充电或放电)，子模块输出电压为电容电压[17]。具体情况表现为状态5和状态6两种状态：①状态5为从A流入子模块从B流出时的状态，由于电流流向的关系，不导通，导通，电流流经向电容充电。②状态6为从B流入子模块从A流出时的状态，由于电流流向的关系，导通，导通，电容流经向外放电。这个过程中充放电的不同取决于电流的流向。

图2. 2半桥模块的电路流向

表2. 1半桥模块的状态分析表

2.2.3全桥子模块的工作原理

全桥子模块含有四个元件、四个续流二极管以及一个电容器。相较于半桥子模块的两个元件、两个续流二极管以及一个电容器，全桥子模块的价格要贵近一倍。

全桥子模块的结构如图2.1所示，其中和、和代表以及二极管所组成全桥子模块左侧的开关模块，而和、和代表以及二极管所组成全桥子模块左侧的开关模块。全桥子模块一共拥有4种模式以及8种工作状态。如下图2.3和表2.2所示，其中元件的开通和关断分别用“”和“”表示

图2. 3全桥模块的电路流向

表2. 2全桥模块的状态分析表

1. 投入模式分析

开关模块/、/导通状态，开关模块/、/关断状态，全桥子模块进入投入模式。这种模式有状态1和状态2两种，如图2.3所示在两种不同的电流流向下：①状态1中电流从A流入从B流出，由于电流流向的原因，得到不导通，不导通，和导通，电流流经和向电容充电。②状态2中电流从B流入从A流出，由于电流流向的原因，得到导通电流，也导通电流，电流不流经和，所以电容释放电流流经和向外放电。在这两种状态下全桥模块的输出电压为，电容的两种状态由电流流向决定。

1. 旁路模式分析

情况I：开关模块/和/处于导通状态，开关模块/和/处于关断状态时处于旁路模式下的情况I。这种模式有状态3和状态4两种，如图2.3所示在两种不同的电流流向下：①状态3中电流从A流入从B流出，由于电流流向的原因，不导通，导通，处于导通状态，处于不导通状态，电流流经和将电容旁路。②状态4中电流从B流入从A流出，由于电流流向的原因，得到导通电流，流经电流，电流不流经和，电流流经和将电容旁路。

情况II：开关模块/和/处于关断状态，开关模块/和/处于导通状态此时处于旁路模式下的情况II。这种模式有状态5和状态6两种，如图2.3所示在两种不同的电流流向下：①状态5中电流从A流入从B流出，由于电流流向的原因，处于导通状态，处于关断状态，电流不流经，流过，最终电流经过与将电容旁路。②状态6中电流从B流入从A流出，由于电流流向的原因，处于导通状态，处于关断状态，电流不流经，流过，最终电流经过与将电容旁路。

两种不同的情况同属于旁路模式，在这两种情况，四种状态下，由于电容始终被旁路出去的缘故，全桥模块此时的输出电压恒为。

1. 闭锁模式分析

处于闭锁模式下时所有的开关模块都处在关断状态。此时全桥子模块中所有的元件都不作用，电流经过过续流二极管流动。这种模式有状态7和状态8两种，如图2.3所示在两种不同的电流流向下：①状态7中电流从A流入从B流出，此时电流流经和向电容充电。②状态8中电流从B流入从A流出，此时电流流经和向电容充电。这种情况在正常工作时不会出现，只有当系统判断换流器发生故障时,系统发出特定的全部开关模块闭锁的信号时才会出现这种模式。

2.3传统的数学模型

图2. 4的平面模型图

图中是与变压器相连的漏电感，通过基尔霍夫电压定律，可以得到结构的微分方程[20]。

(2-1)

(2-2)

为了继续简化分析需要定义三个量：

①定义上下桥臂的差模电压为

(2-3)

②定义上下桥臂的共模电压为

(2-4)

③定义相桥臂的环流为

(2-5)

另外还有一个已经存在的关系式

(2-6)

将这三个定义式和(2-6)带入进(2-1)和(2-2)我们可以得到两个表达式

(2-7)

(2-8)

我们可以观察到(2-7)只有差模电压和相电流，(2-8)只有共模电压和环流。在直流电压和交流电压不变的前提条件下，只需要通过控制差模电压和共模电压，就能够控制输出的电流和环流，从而进一步就可以控制功率传输了。

2.3.1差模电压控制输出电流

这里我们先令

(2-9)

(2-10)

将(2-9)(2-10)两式带入将(2-7)展开得到坐标下的三相形式

(2-11)

为进一步获得易于控制的直流量，通过坐标变换，将三相静止坐标系下的正弦交流量变换为两轴同步旋转坐标系下的直流量，即派克变换[18]。矩阵变换的表达式为：

(2-12)

对(2-11)施加(2-12)的变换得到

(2-13)

对(2-13)进行拉普拉斯变换，我们可以得到

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