“柔性直流输电”课程设计研究

李勇汇

摘要：为拓宽全日制电气工程与自动化专业的学生的知识视野，强化课程的综合能力，提高分析能力和动手能力，本文针对柔性直流输电这个课程设计题目，给出了详细的设计内容，设计步骤及指导事项。该课程设计项目对Matlab软件使用的熟练程度要求较高，有一定的难度，比较适合团队协作在1个月内完成。

关键词：柔性直流输电；课程设计；Matlab仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）07-0174-02

武汉大学全日制电气工程与自动化专业学生在大学三年级下学期时已基本完成了“自控原理”，“电气工程基础”，“电力电子学”，“电力系统分析”，“Matlab编程设计”等专业主干课程，学生对电力系统的运行和控制已经形成了基本概念。为配合“电气工程基础”课程交直流混合输电章节的授课内容，提出了“柔性直流输电”这一课程设计题目。该题目旨在让学生将先期学习的专业知识和专业技能衔接起来，夯实专业基础，提高动手能力和团队协作能力。本文以一个双端柔性直流输电系统的运行和控制的课程设计为典型案例，详细给出了设计内容，设计步骤及指导事项。在教学中此案例已先期在“卓越工程师”班中得以实施。

一、课程设计背景

柔性高压直流输电（high voltage direct current，HVDC）的交直流转换部分多采用的是模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）。和传统少电平HVDC系统相比，MMC-HVDC系统存在换流站交流侧电压谐波畸变小、有功和无功独立控制、可快速故障恢复、传输功率所占空间小等诸多优点。最近电平调制（nearest level modulation，NLM）是MMC-HVDC系统广为采用的一种阶梯波调制方法[1]。NLM方法开关频率低于传统的少电平HVDC系统，它由N个有相同额定电压的桥臂子模块（submodule，SM）串聯而成，在交流侧可形成N+1个电平逼近正弦波。

基于NLM的MMC-HVDC系统在连接交直流系统传输功率的时候一方面需要对换流站层进行功率控制，另一方面还需要对换流阀层进行子模块控制。此课程设计需要学生对先期学习的专业课程能全面掌握和综合应用。

二、设计步骤及要求

第一，学生需复习“电气工程基础”课程交直流混合输电部分的功率传输原理和交直流侧各电气量的基本关系。

第二，学生需复习“自控原理”中的基本控制方法，熟悉闭环控制参数的基本调节方法。

第三，学生需复习“电力电子技术”中全控型器件IGBT的触发方法和输出波形。

第四，学生需复习“Matlab编程设计”中的SIMULINK部分，通过软件自带算例熟悉HVDC系统的内外环解耦控制方法。

第五，查阅MMC-HVDC系统的有关资料，熟悉NLM的基本的原理，确定交直流侧间电压和电流的基本关系。

第六，查阅换流阀中SM导通和截止的基本控制原理，掌握各桥臂SM开关序列信号和换流器功率控制电压信号间的时序逻辑关系。

第七，在Matlab/SIMULINK软件环境中，搭建双端MMC-HVDC系统，根据给定功率调节模型，观察双端交直流侧各典型电气量的波形。

第八，依据先期查阅的各种参考资料，明确双端MMC-HVDC系统的基本工作原理、功率控制方法、仿真的具体实现方案、调试的仿真波形以及其他结论，分工协作、以团队的形式撰写课程设计报告。

三、设计原理

（一）柔性直流输电仿真系统概述

课程设计可根据文献[1]中给出的21电平双端MMC-HVDC系统典型参数系统建立仿真模型。仿真工具为Matlab/SIMULINK。根据文献[1]，柔性直流输电系统主要包括交流系统、直流系统、桥臂电路、触发脉冲和控制电路五个部分。各部分的主要功能概述如下。

1.交流系统。双侧交流系统具有相同的结构和参数，它分别通过两个换流变和换流阀相连。其中交流电源电压等级一般高于MMC交流侧电压，其等值电感和系统短路容量相关。

2.直流系统。两个MMC通过直流电缆连接。由于文献[1]中MMC直流侧没有接地点，因此本课程设计中MMC-HVDC系统的拓扑结构为伪双极系统。

3.桥臂电路。MMC换流阀中含有结构相同的三相、结构相同的6个桥臂。每个桥臂由20个串联的SM和1个谐波抑制电感构成。为避免一个桥臂上出现太多的电力电子器件，可以将所有的串联SM封装到子系统中。其中，每个SM由两个IGBT及其反并联二极管和电容组成，其导通和截止受到触发信号控制。

4.触发脉冲。由跟踪有功和无功参考值的控制电路产生。每一相上下两个桥臂在任意时刻导通的SM数量为20。

5.控制电路。MMC-HVDC系统的典型控制电路含有换流站功率控制和换流阀SM控制两个部分。

（二）原理实现

1.仿真系统模型搭建。课程设计的小组成员应严格按照文献[1]中的双端MMC-HVDC系统在Matlab/SIMULINK环境下搭建仿真模型。其中每个桥臂中的SM应选择详细的电力电子模型而非平均模型。这样每个SM的电容电压均能在每个时刻得以记录，便于发现功率波动对电容电压和直流侧电压的影响。

2.双端功率控制策略。双端MMC-HVDC系统一侧工作于整流状态，另一侧工作于逆变状态。整流侧的控制方式应设定为恒定电压和恒定有功模式。逆变侧的控制方式应设定为恒定有功和恒定无功模式。根据传输的有功和无功功率可计算出每个换流站有功和无功控制器的参考值，这两个参考值将送入控制模块得以跟踪。

3.换流站和换流阀控制流程。控制模块的搭建和调试是整个课程设计的难点。根据控制电路的组成，其基本的信号流程依次是PLL测量单元、有功和无功参考值形成单元、外环电压控制单元、内环电流控制单元和触发脉冲形成单元。PLL测量模块测量换流变高压侧电压的相角，经Park变换可计算出同侧传输的有功和无功。该有功和无功测量信号分别送入有功和无功控制模块。这两个模块中均含有1个PI控制器跟踪给定的有功和无功参考值，分别输出有功参考电压和无功参考电流Iqref。将产生的有功参考电压送入直流电压控制模块，根据MMC整流侧或逆变侧的参考值产生有功电流参考值Idref。此时，根据HVDC系统解耦原理，有功和无功电流参考信号Idref和Iqref将在电流控制模块中和PLL测量模块测量到的实时有功和无功电流信号比较，经过2个PI控制器产生输出参考电压Uref。而Uref送入触发脉冲模块，根据NLM的原理产生送入换流阀ABC三相6个桥臂上的触发脉冲。这些脉冲反映了控制模块对不同功率控制信号的实时跟踪。其中，整流侧直流母线的电压和从系统吸收的有功维持在给定参考值；逆变侧输入交流系统的有功和无功亦维持在给定参考值。

四、调试和说明

在确认仿真模型搭建无误后，输入文献[1]中给定的每个元件参数。此时，课程设计团队需重点调试控制模块中的4个PI控制器参数。值得说明的是，如果控制器参数设计合理，MMC-HVDC整流侧的直流电压将维持恒定，同时从交流侧吸收的有功功率和给定值相同；MMC-HVDC逆变侧的有功和无功和参考值一致。反之，仿真模型会失去稳定。将仿真时间设定为2s，学生可以通过仿真示波器观察双端MMC-HVDC系统交直流侧重要电气量的波形。

当仿真波形稳定后可以继续仿真0.04s。此时，学生将仿真示波器接入串联SM构成的任意一个子系统中，观察该桥臂中每个SM的电容电压Udo的波动范围。若Udo允许波动的范围是其额定电压的10%以内，学生需观察是否有越限电压存在？思考可能越限的原因是什么？有什么可以限制电压波动的方法？可以查阅相关文献回答这些问题。

五、课程设计报告说明

课程设计报告可根据团队人员的实际工作分开撰写，最后统一合稿[2]。前言部分需结合前期学习的专业课程，围绕双端柔性直流输电系统说明其技术的发展历史、优缺点，基本的电气量稳态关系和MMC具体的分层控制策略。结合前文的示意图，在设计原理中详细论述各部分的结构和功率调节方法，重点讨论控制模块中各模块的相互关系和控制器的调试方法和具体的控制参数。在仿真结果中，记录前文提出的重要波形，回答SM的电容电压波动的相关问题，给出必要的分析结论。

参考文献：

[1]徐政，柔性直流输电[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]孙冠群，陈卫民.“步进电机驱动系统”课程设计研究[J].中国电力教育，2013，273（5）：55-56.