MMC的工作原理與基本特性課件

MMC

的工作原理與基本特性2017年6月MMC的工作原理與基本特性2017年6月1ZJU1 MMC的工作原理2 MMC的調(diào)制方式3 MMC的完整解析數(shù)學(xué)模型及其穩(wěn)態(tài)特性4 MMC的基波等值電路與電壓調(diào)制比的定義5 MMC輸出交流電壓的諧波特性及其影響因素6 MMC的阻抗頻率特性7 MMC換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍研究?jī)?nèi)容提要ZJU內(nèi)容提要2ZJU第1章MMC的工作原理ZJU第1章3ZJU三相模塊化多電平換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖SM2SMNUdcupbunbupcuncIdc相單元+upa-++-

-+-+una-+-o2Udc2UdcipcipbipaincinbinaivavbiivcvauvbuuvcSM10L0LL0L0SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1v+-vavbR0R0L0R0R0R0vcL0R0T12ucusmiD1D2+-ABC0+

Tsm-ZJU三相模塊化多電平換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖SM2SMNUdc4ZJU子模塊的3種工作狀態(tài)ZJU子模塊的3種工作狀態(tài)5MMC運(yùn)行原理12n12======~~ ~交流電壓和直流電壓VACVConv.n-

Vd

/

20+Vd

/

2ZJU交流側(cè)約束條件與直流側(cè)約束條件MMC運(yùn)行原理12n1======~~ ~交流電壓和直流電壓6ZJU第2章MMC的調(diào)制方式ZJU第2章7最近電平逼近調(diào)制…最近電平逼近Uc2正弦調(diào)制波Udct/rad0

125ZJUuva2pjctrlcNUu*

(t

T

)n (tT )

round

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vj ctrl )2cNUu*

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)nnj

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Tctrl

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round(

vj ctrl )最近電平逼近調(diào)制…最近電平逼近Uc2Udct/rad08ZJU實(shí)時(shí)觸發(fā)的概念00.0050.0150.02-1-0.500.510.01時(shí)間/s電壓/pu00.0150.02-1-0.500.51時(shí)間/s電壓/pu00.0050.0150.02-1-0.500.510.01時(shí)間/s電壓/pufctrl4000Hzfctrl8000Hz0.005 0.01fctrlZJU實(shí)時(shí)觸發(fā)的概念00.0050.0150.02-1-0.9ZJU第3章MMC的完整解析數(shù)學(xué)模型及其穩(wěn)態(tài)特性ZJU第3章10ZJU符號(hào)與變量定義-逆變器慣例SM2SMNupaunaupbunbupcunc相單元+-++-

- +- +

- +- Udc

o2dc2Udcipa

ipb

ipcincinbinaivavbiivcvauvbuuvc0LL00LL0L0

SM2SMNSM1 SM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1v+-vbvcR0R0R0R0R0L0R0pvjqvusausbuscacLLacLacEpaEpbEpcEnaEnb

Encva

uEpno

'ZJU符號(hào)與變量定義-逆變器慣例SM2SMNupaunaup11ZJU描述MMC行為的基本方程ZJU描述MMC行為的基本方程12ZJUMMC數(shù)學(xué)模型的輸入與輸出usj*vjuUdc交流側(cè)直流側(cè)換流器內(nèi)部MMC數(shù)學(xué)模型uvjivj

pvqvIdcuoo

'urj

irj

icirj

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uL,rjiT1iD1

iT2

iD2ZJUMMC數(shù)學(xué)模型的輸入與輸出usj*vjuUdc交流側(cè)直13ZJUMMC數(shù)學(xué)模型的基本假設(shè)1） 所有電氣量均以工頻周期T為周期；2） a、b、c三相的同一電氣量在時(shí)域上依次滯后T/3；3） 同相上、下橋臂的同一電氣量在時(shí)域上彼此相差T/2；4） MMC采用實(shí)時(shí)觸發(fā)。ZJUMMC數(shù)學(xué)模型的基本假設(shè)1） 所有電氣量均以工頻周期T14ZJU采用逐次逼近法推導(dǎo)MMC完整數(shù)學(xué)模型第一步，設(shè)定a相上橋臂電壓為理想階梯波，根據(jù)MMC微分方程模型，推導(dǎo)出MMC各電氣量的初始解。第二步，根據(jù)橋臂電壓與子模塊電容電壓的關(guān)系，推導(dǎo)出考慮子模塊電容電壓波動(dòng)時(shí)的a相上橋臂電壓新的表達(dá)式，

再根據(jù)MMC微分方程模型求解橋臂電流解析表達(dá)式。第三步，為了加快迭代過(guò)程的收斂速度，對(duì)橋臂電流的基波及二次諧波表達(dá)式進(jìn)行局部改進(jìn)，高次諧波仍然采用已得到的結(jié)果，再根據(jù)MMC微分方程模型繼續(xù)推導(dǎo)其他電

氣量的解析表達(dá)式。ZJU采用逐次逼近法推導(dǎo)MMC完整數(shù)學(xué)模型第一步，設(shè)定a相上15ZJU單端400kV、400

MWMMC測(cè)試系統(tǒng)具體參數(shù)交流等值系統(tǒng)線電勢(shì)有效值210kV；直流電壓400kV；閥側(cè)有

功功率350MW，閥側(cè)無(wú)功功率100Mvar

。ZJU單端400kV、400MWMMC測(cè)試系統(tǒng)具體參數(shù)交流16ZJU橋臂電壓0.000.010.030.04050100150200250300350400450橋臂電壓(kV)0.02時(shí)間(s)解析計(jì)算曲線仿真曲線1 2 3 45 6 7 8910

11121314

15030006000900012000140000160000180000解析計(jì)算值仿真值橋臂電壓

(V)諧波次數(shù)橋臂電壓主要包含直流分量和奇數(shù)次諧波；除二次諧波外，其他偶次諧波分量幾乎為零ZJU橋臂電壓0.000.010.030.04050100117ZJU橋臂電流橋臂電流包含直流、基波、二次諧波以及6k±1次諧波0.000.010.030.04-1000-500050010001500解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)橋臂電流(A)1 2 3 4 511121314

1505101520200400600800解析計(jì)算值仿真值6 7 8 9

10諧波次數(shù)橋臂電流(A)ZJU橋臂電流橋臂電流包含直流、基波、二次諧波以及618ZJUMMC閥側(cè)交流電壓MMC閥側(cè)交流電壓除基

波外，主要含有6k±1次諧波。0.000.010.030.04-200-150-100-50050100150200250解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)輸出電壓(kV)1 2 3 4 51011121314

15020040060080000120000160000解析計(jì)算值仿真值輸出電壓

(V)6 7 8 9諧波次數(shù)ZJUMMC閥側(cè)交流電壓MMC閥側(cè)交流電壓除基波外，主要19ZJUMMC閥側(cè)交流電流MMC閥側(cè)交流電流除基

波外，主要含有6k±1次諧波。0.000.010.030.04-1500-1000-5000500100015002000解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)輸出電流(A)1 2 3 41011121314

1504812162024120015001800解析計(jì)算值仿真值輸出電流

(A)5 6 7 8 9諧波次數(shù)ZJUMMC閥側(cè)交流電流MMC閥側(cè)交流電流除基波外，主要20ZJU子模塊電容電壓集合平均值子模塊電容電壓的主要成分為直流、基波和二次諧波。三次及以上次諧波含量非常小。0.000.010.030.0418.018.519.019.520.020.521.021.522.022.523.0解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)子模塊平均電容電壓(kV)1 2 3 40200400600800100012001400解析計(jì)算值仿真值子模塊平均電容電壓

(V)5 6 7 8 91011121314

15諧波次數(shù)ZJU子模塊電容電壓集合平均值子模塊電容電壓的主要成分為21ZJU子模塊電容電流集合平均值子模塊電容電流的主要成分為基波和二次諧波，三次及以上次諧波含量非常小。0.000.010.030.04-800-600-400-2000200400600800解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)子模塊平均電容電流(A)1 2 3 4 50100200300400解析計(jì)算值仿真值子模塊平均電容電流

(A)6 7 8 9101112131415諧波次數(shù)ZJU子模塊電容電流集合平均值子模塊電容電流的主要成分為22ZJU相環(huán)流相環(huán)流主要為偶數(shù)次諧波（直流分量在這里沒(méi)有畫(huà)出），除直流分量外，二次諧波分量最大，其他次諧波分量非常小。0.000.010.030.04-2000200400600800解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)相環(huán)流(A)91011121314

150100200300400解析計(jì)算值仿真值相環(huán)流

(A)0 1 2 3 4 5 6 7 8諧波次數(shù)ZJU相環(huán)流相環(huán)流主要為偶數(shù)次諧波（直流分量在這里沒(méi)23ZJU兩中性點(diǎn)電位差兩中性點(diǎn)電位差僅包含6k-3次諧波，沒(méi)有基波分量。說(shuō)明在基波電路中，O和O’這兩個(gè)點(diǎn)

為等電勢(shì)點(diǎn)。0.000.010.030.04-12-8-40481216解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)交直流中性點(diǎn)電位差(kV)1 2 3 40500100015002000250030003500400045005000解析計(jì)算值仿真值交直流中性點(diǎn)電位差

(V)5 6 7 8 91011121314

15諧波次數(shù)ZJU兩中性點(diǎn)電位差兩中性點(diǎn)電位差僅包含6k-3次諧波，24ZJU瞬時(shí)有功功率瞬時(shí)有功功率除了直流分量外，主要包含6k次諧波分量。對(duì)于瞬時(shí)有功功率的直流分量，解析值為350MW，仿真

值為351MW，兩者之

間的誤差為0.3%0.000.010.030.04050100150200250300350400450500解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)瞬時(shí)有功功率(MW)0 1 2 3 49101112

1314

15036912解析計(jì)算值仿真值瞬時(shí)有功功率

(MW)5 6 7 8諧波次數(shù)ZJU瞬時(shí)有功功率瞬時(shí)有功功率除了直流分量外，主要包含625ZJU瞬時(shí)無(wú)功功率瞬時(shí)無(wú)功功率除了直流分量外，主要包含6k次諧波分量。對(duì)于瞬時(shí)無(wú)功功率的直流分量，解析值為100

Mvar，仿真值為100.7

Mvar，兩者之間的誤差為0.7%。0.000.010.030.04-200-1000100200解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)瞬時(shí)無(wú)功功率(Mvar)0 1 2 3 41011121314

150.00.51.01.52.0解析計(jì)算值仿真值瞬時(shí)無(wú)功功率

(Mvar)5 6 7 8 9諧波次數(shù)ZJU瞬時(shí)無(wú)功功率瞬時(shí)無(wú)功功率除了直流分量外，主要包含626ZJU橋臂電抗電壓橋臂電抗電壓的主要成分是基波、二次諧波和6k±1次諧波。橋臂電抗電壓的波形含有很多毛刺，主要是因?yàn)闃虮垭娏髦械?k±1次諧波電流在電抗中產(chǎn)生的6k±1次諧波電壓。0.000.010.030.04-40-30-20-10010203040解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)橋臂電抗電壓(kV)1 2 3 4 511121314

1502468101214解析計(jì)算值仿真值6 7 8 9

10諧波次數(shù)橋臂電抗電壓(kV)ZJU橋臂電抗電壓橋臂電抗電壓的主要成分是基波、二次諧波27ZJU點(diǎn)Epa和點(diǎn)Ena之間電位差點(diǎn)Epa和點(diǎn)Ena之間電位差不含基波分量，說(shuō)明在基波電路中，這兩個(gè)點(diǎn)為等電勢(shì)點(diǎn)。0.000.010.030.04-40-30-20-10010203040解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)點(diǎn)Epa和點(diǎn)Ena電位差(kV)1 2 3 41011121314

150510152025305 6 7 8 9諧波次數(shù)解析計(jì)算值仿真值點(diǎn)Epa和點(diǎn)Ena電位差(kV)ZJU點(diǎn)Epa和點(diǎn)Ena之間電位差點(diǎn)Epa和點(diǎn)Ena之間電位28ZJU流過(guò)子模塊各開(kāi)關(guān)管的電流波形-900-600-3000300600解析計(jì)算曲線仿真曲線流過(guò)T1電流(A)-900-600-3000300600解析計(jì)算曲線仿真曲線流過(guò)D1電流(A)0.000.010.030.04-1200-800-400040080012001600解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)流過(guò)T2電流(A)0.000.010.030.04-1200-800-400040080012001600解析計(jì)算曲線仿真曲線0.02時(shí)間(s)流過(guò)D2電流(A)T1D1T2D20.000.010.020.030.040.000.010.020.030.04時(shí)間(s)時(shí)間(s)ZJU流過(guò)子模塊各開(kāi)關(guān)管的電流波形-900-600-300029ZJU第4章MMC的基波等值電路與電壓調(diào)制比的定義ZJU第4章30ZJUMMC單相基波等值電路L0ivjIdcupjUdc/2R0uvjIdcUdc/2V-ipj+-injunj

+(j=a,b,c)-+

Enj

diffju+-+-+-icirjEpj12diffjnjpju u

u)acvjdiffjsjdivjL0R02 dt

2i u u（L

020

cirjcomjdicirjLdtR

i UdcuZJUMMC單相基波等值電路L0ivjIdcupjUdc/231ZJUMMC輸出電壓調(diào)制比的定義ZJUMMC輸出電壓調(diào)制比的定義32ZJU第5章MMC輸出交流電壓的諧波特性及其影響因素ZJU第5章33ZJUMMC電平數(shù)與輸出交流電壓諧波特性的關(guān)系在實(shí)時(shí)觸發(fā)的假設(shè)條件下，根據(jù)MMC的解析模型進(jìn)行計(jì)算，采用前面的測(cè)試系統(tǒng)及運(yùn)行點(diǎn)。0.51.01.52.02.53.03.5THD(%)0.00 20 40 60 80 100120140160180200220240260280

300子模塊數(shù)目NZJUMMC電平數(shù)與輸出交流電壓諧波特性的關(guān)系在實(shí)時(shí)觸發(fā)34ZJU電壓調(diào)制比與輸出交流電壓諧波特性的關(guān)系0.700.750.80 0.850.900.951.000.2800.2750.2700.2650.2600.2550.2500.2450.2400.235THD(%)輸出電壓調(diào)制比mZJU電壓調(diào)制比與輸出交流電壓諧波特性的關(guān)系0.700.7535ZJUMMC運(yùn)行工況與輸出交流電壓諧波特性的關(guān)系ZJUMMC運(yùn)行工況與輸出交流電壓諧波特性的關(guān)系36ZJUMMC控制器控制頻率與輸出交流電壓諧波特性的關(guān)系0.51.01.52.02.53.0THD(%)0.01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

10000fctrl

(Hz)ZJUMMC控制器控制頻率與輸出交流電壓諧波特性的關(guān)系0.537ZJU第6章MMC的阻抗頻率特性ZJU第6章38ZJUMMC直流側(cè)阻抗定義MMCIdcIdc(f

)交流側(cè)+-+Udc(f

)-UdcdcdcZ(f)Udc(f

)I (f

)ZJUMMC直流側(cè)阻抗定義MMCIdcIdc(f39ZJUMMC直流側(cè)阻抗等值電路3L2L03R2R0NC6C0從直流側(cè)看進(jìn)去MMCZdcresf

1 N4

L0C0ZJUMMC直流側(cè)阻抗等值電路3L2L03R2R40ZJUMMC直流側(cè)阻抗頻率特性0~100Hz1020304070809010002040608050 60頻率/Hz阻抗幅值/Ω

測(cè)試信號(hào)法等值電路102030407010045-9050 60頻率/Hz阻抗相角/°

測(cè)試信號(hào)法等值電路80 90ZJUMMC直流側(cè)阻抗頻率特性10203040708090141MMC直流側(cè)阻抗頻率特性10~1000Hz10000100ZJU400300200100 200 300 400 500頻率/Hz阻抗幅值/Ω

測(cè)試信號(hào)法等值電路600 700 800 900100013590450-45-90-135100 200 300 400 500頻率/Hz阻抗相角/°

測(cè)試信號(hào)法等值電路600 700 800 900MMC直流側(cè)阻抗頻率特性10000100ZJU100 20042ZJUMMC交流側(cè)阻抗定義+-Usa

(50)saU (f

)saU (f

)sbU (f

)sbU (f

)Usb

(50)scU (f

)scU (f

)Usc

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sasaI (50)I (f)I (f

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scscI (50)I (f)I (f

)MMC++--acsasbscZ

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)I(f

)I(f

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)ZJUMMC交流側(cè)阻抗定義+-Usa(50)saU (43ZJUMMC交流側(cè)正序阻抗頻率特性0~100Hz102030407080900100080060040020050 60頻率/Hz阻抗幅值/Ω100102030407080-180180900-9050 60頻率/Hz阻抗相角/°90 100

ZJUMMC交流側(cè)正序阻抗頻率特性0~100Hz10203044ZJUMMC交流側(cè)正序阻抗頻率特性10~1000Hz100 200 300 400 500600 700 800 900 1000

5004003002001000阻抗幅值/Ω測(cè)試信號(hào)法LT+L0/2

LT+L0/4LT100 200 300 400 500600 700 800 900 1000-180頻率/Hz18090

0-90頻率/Hz阻抗相角/°ZJUMMC交流側(cè)正