多种非理想条件下MMC-HVDC控制策略研究

Keeping good performance under nonideal conditions is the key to be more widely used for MMC-HVDC. However, the existing control strategies still have many shortcomings about how to keep good performance for MMC-HVDC under nonideal conditions. This project aims to study the control strategies of MMC-HVDC under several nonideal conditions in order to improve the adaptability of MMC-HVDC to complex AC system and its nonideal conditions. This project focuses on the control strategies of MMC-HVDC under unbalanced grid voltages, asymmetry arms and unbalanced weak AC system. The proposed control strategies must have good robustness to the grid frequency variation and model parameter variation. The mathematic models under three nonideal conditions are established and then the coupling relationship of state variables, control variables and disturbance variables are analyzed. Based on their respective mathematic models and expected targets, the control strategies under corresponding nonideal condition are designed in detail. Furthermore, the advantages of MATLAB on numerical calculation and analysis are utilized to assist the design and performance optimization of controller. Based on the electromagnetic transient simulation software PSCAD and PXIe-1071 of NI corporation, the simulation validation and dynamic simulation experiment are carried out in order to ensure the correctness and effectiveness of the proposed control strategies.

非理想条件下保持良好的运行性能是MMC-HVDC能够获得更广泛应用的关键。而现有控制策略对于MMC-HVDC如何在非理想条件下保持良好的运行性能仍存在诸多问题。本课题旨在研究各种非理想条件下MMC-HVDC的控制策略，以提高MMC-HVDC对复杂交流电网和自身非理想条件的适应性。重点研究不对称电网电压、不对称桥臂和不对称弱交流电网等三种非理想条件下MMC-HVDC的控制策略，要求所提策略对电网频率和模型参数的变化均具有良好的鲁棒性。针对三种非理想条件，建立各自的数学模型，分析状态量、控制量和扰动量之间相互耦合关系。根据各自的数学模型和预期目标，设计相应非理想条件下的控制策略，利用MATLAB在数值计算和分析方面的优势辅助控制器的设计和性能优化。基于电磁暂态仿真软件PSCAD和NI公司的PXIe-1071进行仿真验证和动模实验，以确保所提策略的正确性和有效性。

随着MMC-HVDC工程的不断投运及应用场景的多元化，MMC-HVDC可能运行于电网电压不对称、畸变、弱系统、电网频率变化等多种非理想条件。非理想条件下MM-HVDC依然能具备良好的性能是其进一步推广应用的关键。针对现有控制策略在多种非理想条件下存在的诸多问题，研究了不对称电网电压、不对称桥臂和不对称弱交流电网等三种非理想条件下MMC-HVDC的控制策略。针对项目的三点研究内容，取得如下成果：1) 提出了不对称电网电压下基于两步模型预测控制的灵活功率控制策略；2) 提出基于三阶拉格朗日插值法的无差拍-重复控制器，将其用于MMC-HVDC桥臂电流的控制，所提控制策略能适应电网电压不对称、畸变、频率变化等多种非理想工况; 3) 给出MMC-HVDC控制系统负电导频带范围及电导最小值求解方法，基于此提出全频带电导补偿策略，显著改善了弱电网下MMC-HVDC控制系统的稳定性。在完成项目研究内容并考虑到MMC-HVDC的接入导致传统交流线路保护方案失效，项目组做了进一步拓展研究工作，取得如下成果：1) 提出能适应MMC-HVDC故障特性的非对称故障下距离I段保护方案; 2) 提出一种能适应MMC-HVDC故障特征的电压序分量选相方法; 3) 提出一种基于通信的MMC-HVDC换流站交流联络线加速距离保护方案。本项目的研究成果对于保障MMC-HVDC运行安全、推广应用以及改善电网暂态稳定性具有重要的理论意义和工程应用价值。