1、M M C 的工作原理与基本特的工作原理与基本特性性2017年年6月月ZJUZJU1 MMC的工作原理的工作原理2 MMC的调制方式的调制方式3 MMC的完整解析数学模型及其稳态特性的完整解析数学模型及其稳态特性4 MMC的基波等值电路与电压调制比的定义的基波等值电路与电压调制比的定义5 MMC输出交流电压的谐波特性及其影响因输出交流电压的谐波特性及其影响因素素6 MMC的阻抗频率特性的阻抗频率特性7 MMC换流站稳态运行范围研究换流站稳态运行范围研究内容提要内容提要ZJUZJU第第1章章M M C 的工作原理的工作原理ZJUZJU三相模块化多电平换流器单三相模块化多电平换流器单元元拓扑结构图
2、拓扑结构图SM2SMNUdcupbunbupcuncIdc相单元+upa-+-+-+una-+-o2Udc2UdcipcipbipaincinbinaivavbiivcvauvbuuvcSM10L0LL0L0SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1v+-vavbR0R0L0R0R0R0vcL0R0T12ucusmiD1D2+-ABC0+Tsm-ZJUZJU子模块的子模块的3种工作状种工作状态态MMC运行原理运行原理12n12=交流电压和直流电压VACVConv.n-Vd/20+Vd/2ZJUZJU交流侧约束条件与直流侧约束条交流侧约束条件与直流
3、侧约束条件件ZJUZJU第第2章章M M C 的调制方式的调制方式最近电平逼近调制最近电平逼近调制最近电平逼近Uc2正弦调制波Udct/rad0 125ZJUZJUuv a2pjctrlcNUu*(t T)n(t T)round(vjctrl)2cNUu*(t T)nnj(t Tctrl)round(vjctrl)ZJUZJU实时触发的概念实时触发的概念00.0050.0150.02-1-0.500.510.01时间/s电压/pu00.0150.02-1-0.500.51时间/s电压/pu00.0050.0150.02-1-0.500.510.01时间/s电压/pufctrl4000Hzfct
4、rl8000Hz0.0050.01fctrlZJUZJU第第3章章MMC的完整解析数学模型及其稳态特的完整解析数学模型及其稳态特性性ZJUZJU符号与变量定义符号与变量定义-逆变器惯例逆变器惯例SM2SMNupaunaupbunbupcunc相单元+-+-+-+-+-Udc o2dc2Udcipaipbipcincinbinaivavbiivcvauvbuuvc0LL00LL0L0 SM2SMNSM1SM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1v+-vbvcR0R0R0R0R0L0R0pv jqvusausbuscacLLacLacEpaEpbEpcEnaEn
5、b Encva uEpno ZJUZJU描述描述MMC行为的基本方程行为的基本方程ZJUZJUMMC数学模型的输入与输出数学模型的输入与输出usj*vjuUdc交流侧直流侧换流器内部MMC数学模型uvj ivj pv qvIdcuoo urj irj icirj uc,rj ic,rj uL,rjiT1 iD1 iT2 iD2ZJUZJUMMC数学模型的基本假设数学模型的基本假设1）所有电气量均以工频周期所有电气量均以工频周期T为周期；为周期；2）a、b、c三相的同一电气量在时域上依次滞后三相的同一电气量在时域上依次滞后T/3；3）同相上、下桥臂的同一电气量在时域上彼此相差同相上、下桥臂的同一
6、电气量在时域上彼此相差T/2；4）MMC采用实时触发。采用实时触发。ZJUZJU采用逐次逼近法推采用逐次逼近法推导导 MMC完整数学模型完整数学模型第一步，设定第一步，设定a相上桥臂电压为理想阶梯波，根据相上桥臂电压为理想阶梯波，根据MMC微分方程模型，推导出微分方程模型，推导出MMC各电气量的初始解。各电气量的初始解。第二步，根据桥臂电压与子模块电容电压的关系，推导第二步，根据桥臂电压与子模块电容电压的关系，推导 出考虑子模块电容电压波动时的出考虑子模块电容电压波动时的a相上桥臂电压新的表达式，相上桥臂电压新的表达式，再根据再根据MMC微分方程模型求解桥臂电流解析表达式。微分方程模型求解桥臂
7、电流解析表达式。第三步，为了加快迭代过程的收敛速度，对桥臂电流第三步，为了加快迭代过程的收敛速度，对桥臂电流 的基波及二次谐波表达式进行局部改进，高次谐波仍然采用的基波及二次谐波表达式进行局部改进，高次谐波仍然采用 已得到的结果，再根据已得到的结果，再根据MMC微分方程模型继续推导其他电微分方程模型继续推导其他电 气量的解析表达式。气量的解析表达式。ZJUZJU单端单端400kV、400 MWMMC测测试试系系统统具具体参体参数数交流等值系统线电势有效值交流等值系统线电势有效值210 kV；直流电压；直流电压400 kV；阀侧有；阀侧有 功功率功功率350 MW，阀侧无功功率，阀侧无功功率10
8、0 Mvar。ZJUZJU桥臂电压桥臂电压0.000.010.030.04050100150200250300350400450桥臂电压(kV)0.02时间(s)解析计算曲线 仿真曲线123456789 10 1112 13 14 15030006000900012000140000160000180000解析计算值仿真值桥臂电压(V)谐波次数桥臂电压主要包含直流桥臂电压主要包含直流 分量和奇数次谐波；除分量和奇数次谐波；除二次谐波外，其他偶次二次谐波外，其他偶次谐波分量几乎为零谐波分量几乎为零ZJUZJU桥臂电流桥臂电流桥臂电流包含直流、桥臂电流包含直流、基波、二次谐波以基波、二次谐波以 及
9、及6k1次谐波次谐波0.000.010.030.04-1000-500050010001500解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)桥臂电流(A)1234511 12 13 14 1505101520200400600800解析计算值 仿真值6789 10谐波次数桥臂电流(A)ZJUZJUMMC阀侧交流电压阀侧交流电压MMC阀侧交流电压除基 波外，主要含有6k1次 谐波。0.000.010.030.04-200-150-100-50050100150200250解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)输出电压(kV)1234510 11 12 13 14 150200400600800001
10、20000160000解析计算值仿真值输出电压(V)6789谐波次数ZJUZJUMMC阀侧交流电流阀侧交流电流MMC阀侧交流电流除基 波外，主要含有6k1次 谐波。0.000.010.030.04-1500-1000-5000500100015002000解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)输出电流(A)123410 11 12 13 14 1504812162024120015001800解析计算值 仿真值输出电流(A)56789谐波次数ZJUZJU子模块电容电压集合平均值子模块电容电压集合平均值子模块电容电压的主要 成分为直流、基波和二 次谐波。三次及以上次 谐波含量非常小。0.000
11、.010.030.0418.018.519.019.520.020.521.021.522.022.523.0解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)子模块平均电容电压(kV)12340200400600800100012001400解析计算值 仿真值子模块平均电容电压(V)56789 10 11 12 13 14 15谐波次数ZJUZJU子模块电容电流集合平均值子模块电容电流集合平均值子模块电容电流的主要 成分为基波和二次谐波，三次及以上次谐波含量 非常小。0.000.010.030.04-800-600-400-2000200400600800解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)子模块
12、平均电容电流(A)123450100200300400解析计算值 仿真值子模块平均电容电流(A)6789 10 11 12 13 14 15谐波次数ZJUZJU相环流相环流相环流主要为偶数次谐 波（直流分量在这里没 有画出），除直流分量 外，二次谐波分量最大，其他次谐波分量非常小。0.000.010.030.04-2000200400600800解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)相环流(A)9 10 11 12 13 14 150100200300400解析计算值 仿真值相环流(A)012345678谐波次数ZJUZJU两中性点电位差两中性点电位差两中性点电位差仅包 含6k-3次谐波，没
13、有基 波分量。说明在基波电 路中，O和O这两个点 为等电势点。0.000.010.030.04-12-8-40481216解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)交直流中性点电位差(kV)12340500100015002000250030003500400045005000解析计算值 仿真值交直流中性点电位差(V)56789 10 11 12 13 14 15谐波次数ZJUZJU瞬时有功功率瞬时有功功率瞬时有功功率除了直流 分量外，主要包含6k次谐波分量。对于瞬时有功功率的直流分量，解 析值为350 MW，仿真 值为351 MW，两者之 间的误差为0.3%0.000.010.030.0405
14、0100150200250300350400450500解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)瞬时有功功率(MW)012349 10 11 12 1314 15036912解析计算值仿真值瞬时有功功率(MW)5678谐波次数ZJUZJU瞬时无功功率瞬时无功功率瞬时无功功率除了直流 分量外，主要包含6k次 谐波分量。对于瞬时无 功功率的直流分量，解 析值为100 Mvar，仿真 值为100.7 Mvar，两者 之间的误差为0.7%。0.000.010.030.04-200-1000100200解析计算曲线仿真曲线0.02时间(s)瞬时无功功率(Mvar)0123410 11 12 13 14
15、150.00.51.01.52.0解析计算值 仿真值瞬时无功功率(Mvar)56789谐波次数ZJUZJU桥臂电抗电压桥臂电抗电压桥臂电抗电压的主要成 分是基波、二次谐波和 6k1次谐波。桥臂电 抗电压的波形含有很多 毛刺，主要是因为桥臂 电流中的6k1次谐波 电流在电抗中产生的 6k1次谐波电压。0.000.010.030.04-40-30-20-10010203040解析计算曲线仿真曲线0.02时间(s)桥臂电抗电压(kV)1234511 12 13 14 1502468101214解析计算值仿真值6789 10谐波次数桥臂电抗电压(kV)ZJUZJU点点Epa和点和点Ena之间电位差之间
16、电位差点Epa和点Ena之间电位 差不含基波分量，说明 在基波电路中，这两个 点为等电势点。0.000.010.030.04-40-30-20-10010203040解析计算曲线仿真曲线0.02时间(s)点Epa和点Ena电位差(kV)123410 11 12 13 14 1505101520253056789谐波次数解析计算值 仿真值点Epa和点Ena电位差(kV)ZJUZJU流过子模块各开关管的电流波形流过子模块各开关管的电流波形-900-600-3000300600解析计算曲线仿真曲线流过T1电流(A)-900-600-3000300600解析计算曲线仿真曲线流过D1电流(A)0.000
17、.010.030.04-1200-800-400040080012001600解析计算曲线仿真曲线0.02时间(s)流过T2电流(A)0.000.010.030.04-1200-800-400040080012001600解析计算曲线仿真曲线0.02时间(s)流过D2电流(A)T1D1T2D20.000.010.020.030.040.000.010.020.030.04时间(s)时间(s)ZJUZJU第第4章章MMC的基波等值电路与电压调制比的定义的基波等值电路与电压调制比的定义ZJUZJUMMC单相基波等值电路单相基波等值电路L0ivjIdcupjUdc/2R0uvjIdcUdc/2V-i
18、pj+-injunj+(j=a,b,c)-+Enj diffju+-+-+-icirjEpj12diffjnjpjuu u)acvjdiffjsjdivjL0R02dt2iuu（L020 cirjcomjdicirjLdt R iUdc uZJUZJUMMC输出电压调制比的定义输出电压调制比的定义ZJUZJU第第5章章MMC输出交流电压的谐波特性及其影响输出交流电压的谐波特性及其影响因素因素ZJUZJUMMC电平数与输出交流电压谐电平数与输出交流电压谐波波特性的关系特性的关系在实时触 发的假设 条件下，根据MMC 的解析模 型进行计 算，采用 前面的测 试系统及 运行点。0.51.01.52.
19、02.53.03.5THD(%)0.0020406080 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300子模块数目NZJUZJU电压调制比与输出交流电压谐电压调制比与输出交流电压谐波波特性的关系特性的关系0.700.750.800.850.900.951.000.2800.2750.2700.2650.2600.2550.2500.2450.2400.235THD(%)输出电压调制比mZJUZJUMMC运行工况与输出交流电压运行工况与输出交流电压谐谐波特性的关系波特性的关系ZJUZJUMMC控制器控制频率与输出交控制器控制频率与输出交流流电压谐波特性的关
20、电压谐波特性的关系系0.51.01.52.02.53.0THD(%)0.0100020003000400050006000700080009000 10000fctrl(Hz)ZJUZJU第第6章章M M C 的阻抗频率特性的阻抗频率特性ZJUZJUMMC直流侧阻抗定义直流侧阻抗定义MMCIdc Idc(f)交流侧+-+Udc(f)-UdcdcdcZ(f)Udc(f)I(f)ZJUZJUMMC直流侧阻抗等值电路直流侧阻抗等值电路3L 2L03R 2R0NC 6C0从直流侧 看进去MMCZdcresf1N4L0C0ZJUZJUMMC直流侧阻抗频率特性直流侧阻抗频率特性0100Hz10203040
21、7080901000204060805060频率/Hz阻抗幅值/测试信号法 等值电路1020304070100-13513590450-45-905060频率/Hz阻抗相角/测试信号法等值电路8090MMC直流侧阻抗频率特性直流侧阻抗频率特性101000Hz10000100ZJUZJU400300200100200300400500频率/Hz阻抗幅值/测试信号法 等值电路600700800900100013590450-45-90-135100200300400500频率/Hz阻抗相角/测试信号法 等值电路600700800900ZJUZJUMMC交流侧阻抗定义交流侧阻抗定义+-Usa(50)
22、saU(f)saU(f)sbU(f)sbU(f)Usb(50)scU(f)scU(f)Usc(50)sasasaI(50)I(f)I(f)sbsbsbI(50)I(f)I(f)scscscI(50)I(f)I(f)MMC+-acsasbscZ(f)Usa(f)Usb(f)Usc(f)I(f)I(f)I(f)acsasbscZ(f)Usa(f)Usb(f)Usc(f)I(f)I(f)I(f)ZJUZJUMMC交流侧正序阻交流侧正序阻抗抗频频率率特特性性0100Hz10203040708090010008006004002005060频率/Hz阻抗幅值/100102030407080-180180
23、900-905060频率/Hz阻抗相角/90100 ZJUZJUMMC交流侧正序阻交流侧正序阻抗抗频频率率特特性性101000Hz1002003004005006007008009001000 5004003002001000阻抗幅值/测试信号法LT+L0/2 LT+L0/4LT1002003004005006007008009001000-180频率/Hz18090 0-90频率/Hz阻抗相角/ZJUZJUMMC交流侧负序阻交流侧负序阻抗抗频频率率特特性性0100Hz10203040708090080006000400020005060频率/Hz阻抗幅值/10203040708090-180
24、18090 0-90 5060频率/Hz阻抗相角/ZJUZJUMMC交流侧负序阻交流侧负序阻抗抗频频率率特特性性101000Hz70080090010000 400300200100500100200300400500600频率/Hz阻抗幅值/测试信号法LT+L0/2 LT+L0/4 LT1002003004005006007008009001000-180180900-90频率/Hz阻抗相角/ZJUZJU第第7章章MMC换流站稳态运行范围研究换流站稳态运行范围研究ZJUZJU单端单端MMC接入系统接入系统模模型型PCCsU 0ZsysUpccpccXlinkUdiff diffssP jQUdcXTXL0/2 vPdiff jQ diffvvP jQ+-sU 0PL jQLvvTsyssysSU Pv jQv(jX R jX)U 0UvvvNUvdabs(Pv jQv)I jUvqm 1ZJUZJU短路比等于短路比等于5时的运行范围时的运行范围ZJUZJUMMC向无源负荷供电时的稳态向无源负荷供电时的稳态运运行范围算例行范围算例ZJUZJU输电距离输电距离30 km时的运行范围时的运行范围ZJUZJU输电距离输电距离60 km时的运行范围时的运行范围ZJUZJU输电距离输电距离90 km时的运行范围时的运行范围ZJUZJU
