MMC的工作原理与基本特性课件

MMC

的工作原理与基本特性2017年6月MMC的工作原理与基本特性2017年6月1ZJU1 MMC的工作原理2 MMC的调制方式3 MMC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5 MMC输出交流电压的谐波特性及其影响因素6 MMC的阻抗频率特性7 MMC换流站稳态运行范围研究内容提要ZJU内容提要2ZJU第1章MMC的工作原理ZJU第1章3ZJU三相模块化多电平换流器单元拓扑结构图SM2SMNUdcupbunbupcuncIdc相单元+upa-++-

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

Tsm-ZJU三相模块化多电平换流器单元拓扑结构图SM2SMNUdc4ZJU子模块的3种工作状态ZJU子模块的3种工作状态5MMC运行原理12n12======~~ ~交流电压和直流电压VACVConv.n-

Vd

/

20+Vd

/

2ZJU交流侧约束条件与直流侧约束条件MMC运行原理12n1======~~ ~交流电压和直流电压6ZJU第2章MMC的调制方式ZJU第2章7最近电平逼近调制…最近电平逼近Uc2正弦调制波Udct/rad0

125ZJUuva2pjctrlcNUu*

(t

T

)n (tT )

round

(

vj ctrl )2cNUu*

(t

T

)nnj

(t

Tctrl

)

round(

vj ctrl )最近电平逼近调制…最近电平逼近Uc2Udct/rad08ZJU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/pufctrl4000Hzfctrl8000Hz0.005 0.01fctrlZJU实时触发的概念00.0050.0150.02-1-0.9ZJU第3章MMC的完整解析数学模型及其稳态特性ZJU第3章10ZJU符号与变量定义-逆变器惯例SM2SMNupaunaupbunbupcunc相单元+-++-

- +- +

- +- Udc

o2dc2Udcipa

ipb

ipcincinbinaivavbiivcvauvbuuvc0LL00LL0L0

SM2SMNSM1 SM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1v+-vbvcR0R0R0R0R0L0R0pvjqvusausbuscacLLacLacEpaEpbEpcEnaEnb

Encva

uEpno

'ZJU符号与变量定义-逆变器惯例SM2SMNupaunaup11ZJU描述MMC行为的基本方程ZJU描述MMC行为的基本方程12ZJUMMC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uvjivj

pvqvIdcuoo

'urj

irj

icirj

uc,rj

ic,rj

uL,rjiT1iD1

iT2

iD2ZJUMMC数学模型的输入与输出usj*vjuUdc交流侧直13ZJUMMC数学模型的基本假设1） 所有电气量均以工频周期T为周期；2） a、b、c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T/2；4） MMC采用实时触发。ZJUMMC数学模型的基本假设1） 所有电气量均以工频周期T14ZJU采用逐次逼近法推导MMC完整数学模型第一步，设定a相上桥臂电压为理想阶梯波，根据MMC微分方程模型，推导出MMC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，

再根据MMC微分方程模型求解桥臂电流解析表达式。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MMC微分方程模型继续推导其他电

气量的解析表达式。ZJU采用逐次逼近法推导MMC完整数学模型第一步，设定a相上15ZJU单端400kV、400

MWMMC测试系统具体参数交流等值系统线电势有效值210kV；直流电压400kV；阀侧有

功功率350MW，阀侧无功功率100Mvar

。ZJU单端400kV、400MWMMC测试系统具体参数交流16ZJU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1 2 3 45 6 7 8910

11121314

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分量和奇数次谐波；除二次谐波外，其他偶次谐波分量几乎为零ZJU桥臂电压0.000.010.030.04050100117ZJU桥臂电流桥臂电流包含直流、基波、二次谐波以及6k±1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)1 2 3 4 511121314

1505101520200400600800解析计算值仿真值6 7 8 9

10谐波次数桥臂电流(A)ZJU桥臂电流桥臂电流包含直流、基波、二次谐波以及618ZJUMMC阀侧交流电压MMC阀侧交流电压除基

波外，主要含有6k±1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)1 2 3 4 51011121314

15020040060080000120000160000解析计算值仿真值输出电压

(V)6 7 8 9谐波次数ZJUMMC阀侧交流电压MMC阀侧交流电压除基波外，主要19ZJUMMC阀侧交流电流MMC阀侧交流电流除基

波外，主要含有6k±1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)1 2 3 41011121314

1504812162024120015001800解析计算值仿真值输出电流

(A)5 6 7 8 9谐波次数ZJUMMC阀侧交流电流MMC阀侧交流电流除基波外，主要20ZJU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。0.000.010.030.0418.018.519.019.520.020.521.021.522.022.523.0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)1 2 3 40200400600800100012001400解析计算值仿真值子模块平均电容电压

(V)5 6 7 8 91011121314

15谐波次数ZJU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21ZJU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)子模块平均电容电流(A)1 2 3 4 50100200300400解析计算值仿真值子模块平均电容电流

(A)6 7 8 9101112131415谐波次数ZJU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22ZJU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)91011121314

150100200300400解析计算值仿真值相环流

(A)0 1 2 3 4 5 6 7 8谐波次数ZJU相环流相环流主要为偶数次谐波（直流分量在这里没23ZJU两中性点电位差两中性点电位差仅包含6k-3次谐波，没有基波分量。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)1 2 3 40500100015002000250030003500400045005000解析计算值仿真值交直流中性点电位差

(V)5 6 7 8 91011121314

15谐波次数ZJU两中性点电位差两中性点电位差仅包含6k-3次谐波，24ZJU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350MW，仿真

值为351MW，两者之

间的误差为0.3%0.000.010.030.04050100150200250300350400450500解析计算曲线仿真曲线0.02时间(s)瞬时有功功率(MW)0 1 2 3 49101112

1314

15036912解析计算值仿真值瞬时有功功率

(MW)5 6 7 8谐波次数ZJU瞬时有功功率瞬时有功功率除了直流分量外，主要包含625ZJU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)0 1 2 3 41011121314

150.00.51.01.52.0解析计算值仿真值瞬时无功功率

(Mvar)5 6 7 8 9谐波次数ZJU瞬时无功功率瞬时无功功率除了直流分量外，主要包含626ZJU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6k±1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6k±1次谐波电流在电抗中产生的6k±1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)1 2 3 4 511121314

1502468101214解析计算值仿真值6 7 8 9

10谐波次数桥臂电抗电压(kV)ZJU桥臂电抗电压桥臂电抗电压的主要成分是基波、二次谐波27ZJU点Epa和点Ena之间电位差点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)1 2 3 41011121314

150510152025305 6 7 8 9谐波次数解析计算值仿真值点Epa和点Ena电位差(kV)ZJU点Epa和点Ena之间电位差点Epa和点Ena之间电位28ZJU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)0.000.010.030.04-1200-800-400040080012001600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)ZJU流过子模块各开关管的电流波形-900-600-300029ZJU第4章MMC的基波等值电路与电压调制比的定义ZJU第4章30ZJUMMC单相基波等值电路L0ivjIdcupjUdc/2R0uvjIdcUdc/2V-ipj+-injunj

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

Enj

diffju+-+-+-icirjEpj12diffjnjpju u

u)acvjdiffjsjdivjL0R02 dt

2i u u（L

020

cirjcomjdicirjLdtR

i UdcuZJUMMC单相基波等值电路L0ivjIdcupjUdc/231ZJUMMC输出电压调制比的定义ZJUMMC输出电压调制比的定义32ZJU第5章MMC输出交流电压的谐波特性及其影响因素ZJU第5章33ZJUMMC电平数与输出交流电压谐波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。0.51.01.52.02.53.03.5THD(%)0.00 20 40 60 80 100120140160180200220240260280

300子模块数目NZJUMMC电平数与输出交流电压谐波特性的关系在实时触发34ZJU电压调制比与输出交流电压谐波特性的关系0.700.750.80 0.850.900.951.000.2800.2750.2700.2650.2600.2550.2500.2450.2400.235THD(%)输出电压调制比mZJU电压调制比与输出交流电压谐波特性的关系0.700.7535ZJUMMC运行工况与输出交流电压谐波特性的关系ZJUMMC运行工况与输出交流电压谐波特性的关系36ZJUMMC控制器控制频率与输出交流电压谐波特性的关系0.51.01.52.02.53.0THD(%)0.01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

10000fctrl

(Hz)ZJUMMC控制器控制频率与输出交流电压谐波特性的关系0.537ZJU第6章MMC的阻抗频率特性ZJU第6章38ZJUMMC直流侧阻抗定义MMCIdcIdc(f

)交流侧+-+Udc(f

)-UdcdcdcZ(f)Udc(f

)I (f

)ZJUMMC直流侧阻抗定义MMCIdcIdc(f39ZJUMMC直流侧阻抗等值电路3L2L03R2R0NC6C0从直流侧看进去MMCZdcresf

1 N4

L0C0ZJUMMC直流侧阻抗等值电路3L2L03R2R40ZJUMMC直流侧阻抗频率特性0~100Hz1020304070809010002040608050 60频率/Hz阻抗幅值/Ω

测试信号法等值电路102030407010045-9050 60频率/Hz阻抗相角/°

测试信号法等值电路80 90ZJUMMC直流侧阻抗频率特性10203040708090141MMC直流侧阻抗频率特性10~1000Hz10000100ZJU400300200100 200 300 400 500频率/Hz阻抗幅值/Ω

测试信号法等值电路600 700 800 900100013590450-45-90-135100 200 300 400 500频率/Hz阻抗相角/°

测试信号法等值电路600 700 800 900MMC直流侧阻抗频率特性10000100ZJU100 20042ZJUMMC交流侧阻抗定义+-Usa

(50)saU (f

)saU (f

)sbU (f

)sbU (f

)Usb

(50)scU (f

)scU (f

)Usc

(50)sa

sasaI (50)I (f)I (f

)sb

sbsbI (50)I (

f

)

I (f

)sc

scscI (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

)ZJUMMC交流侧阻抗定义+-Usa(50)saU (43ZJUMMC交流侧正序阻抗频率特性0~100Hz102030407080900100080060040020050 60频率/Hz阻抗幅值/Ω100102030407080-180180900-9050 60频率/Hz阻抗相角/°90 100

ZJUMMC交流侧正序阻抗频率特性0~100Hz10203044ZJUMMC交流侧正序阻抗频率特性10~1000Hz100 200 300 400 500600 700 800 900 1000

5004003002001000阻抗幅值/Ω测试信号法LT+L0/2

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

0-90频率/Hz阻抗相角/°ZJUMMC交流侧正