第1卷第1期2011年1月电力与能源基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术刘 隽1,贺之渊2,何维国1,包海龙1,季兰兰2(1.上海市电力公司技术与发展中心,上海 200025; 2.中国电力科学研究院,北京 100192)摘 要:介绍了基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术的基本原理,推导了系统主电路的电压电流关系,并给出了仿真验证;介绍了模块化多电平变流器的控制方式,给出了一种M M C的控制结构;介绍了世界范围内柔性直流输电工程的应用情况,以及上海南汇柔性直流输电示范工程的工程概况、系统运行方式及控制策略,并讨论了用于南汇工程的直接电流控制的原理图和控制系统结构。
关键词:模块化多电平变流器;柔性直流输电;控制方式;示范工程中图分类号:T M723 文献标志码:A 文章编号:2095-1256(2011)01-0033-07The Introduction of Technology of HVDC Based on Modular Mu lti level C onverterL I U J un1,H E Zhi y uan2,H E W ei guo1,B AO H ai long1,J I L an lan2(1.T echnolo gy and Development Center,SM EPC,Shang hai200025,China;2.China Electric Po w er Research Institut,Beijing100192,China)Abstract:In the paper,the essential w or king mechanism of mo dular multi lev el co nv erter used in the flexible HV DC techno log y is int roduced fir st ly.In addition,the vo ltag e and cur rent relatio nship of the main cir cuit is der ived,w hich ar e ver ified by a simulat ion.T hen the contro l metho d o f the M M C is intr oduced,and a co ntr ol st ructur e of M M C w as g iv en.T he applicat ion situatio n o f VSC-HV DC pro ject in w o rld is intro duced in de tail.T he general informat ion,sy stem o per atio n mode and the co rr esponding co nt rol str ategy of the Shang ha i Nanhui flex ible H VDC demo nstr ation pr oject are described in detail.Fur ther mor e,t he elementary diag ram and co nt rol system structure of the direct curr ent contr ol are discussed.Key words:M M C;flex ible H V DC;contr ol mo de;demo nstr ation pro ject传统的基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-H V DC)工程采用的低电平电压转换器(VSC)具有开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、需要无源滤波器和变压器等缺点,并存在串联器件的动态均压等难题,多电平变流器通过电压叠加输出高电压,并且输出电压谐波含量少,无需滤波器和变压器,为了克服上述问题,提供了一种新的方案。
2001年德国学者提出模块化多电平变流器(Mo dular M ulti level Converter, MM C)概念,这种模块化结构具有较强的可扩展性,容易实现冗余控制,并且可提供一个公共直流侧,更易实现背靠背连接方式,十分适用于VSC -H VDC输电系统中[1-5]。
1 MMC柔性直流输电技术的工作原理图1为模块化多电平VSC子模块及主电路拓扑结构示意。
图1中P点表示VSC正直流母线,N点表示VSC负直流母线,o点表示VSC假想的直流侧中性点。
图1 模块化多电平拓扑结构示意VSC直流电压为U dc,故P点相对于o点的电压u Po为+U dc/2;N点相对于o点的电压u No为-U dc/2。
u a i,u b i,u c i(i=u,l)分别表示V SC每相上、下半桥臂的电压,则可得:33刘 隽,等:基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术u j u=u P j=u po-u j o=12U dc-u j ou j l=u j N=u j o-u N o=12U dc+u j oj=a,b,c(1)式中:u ao,u bo与u co分别表示V SC各相交流输出端相对于直流侧假想中性点 o 的电压。
只要对VSC各相半桥臂电压u a i,u b i和u c i (i=u,l)依照式(1)限定的那样去施加,则在VSC的输出端便能得到所期望的直流电压U d c与交流电压u ao,u bo和u co。
由式(1)可得出:u au+u al=u bu+u bl=u cu+u cl=U dc(2)由式(2)可知,VSC的三个桥臂具有相同的电压U dc,又由于VSC具有严格的对称性,3个桥臂具有相同的阻抗,因此直流电流I dc将在3个桥臂间均分,每个桥臂的直流电流为I dc/3,如图1中的粗虚线所示。
同理,各相输出端电流i a,i b和i c将在各相上、下半桥臂间均分,如图1中的细虚线所示。
因此,可得VSC各相半桥臂暂态电流i a i,i b i和i c i(i=u,l),如式(3)所示:i j u=13I dc+12i ji j l=13I dc+12i jj=a,b,c(3)变流器的各相由多个子模块按照一定顺序级联组成,并按照一定的控制逻辑被触发,可使变流器交流侧输出期望的波形。
图1中,MM C的各相由4s个子模块组成,每相上下桥臂分别由级联在一起的2s个子模块和一个电抗器构成。
单个子模块的输出电压可以是0和U d,从而使变流器各个桥臂的输出电压可在0和2s U d之间。
通过电磁暂态仿真软件PSCAD/EM TDC对上述原理进行了仿真验证。
VSC的电路拓扑如图1所示为三相等值电路。
输出端期望得到的直流电压U dc为20kV,交流电压u ao的幅值为8kV。
VSC直流侧负载电阻为200,交流侧连接阻抗负载,电阻值为100 ,电感值为0.184H。
仿真得到电压、电流波形分别如图2至图4所示。
2 系统的控制方式[6-8]为了提高M MC柔性直流输电系统的运行可靠性,需要限制各个控制环节故障对整个系统造成的影响。
通过将控制器分成几个层次可以实现这一目标,同时也可以提高维护的方便性和灵活图2 A相上、下半桥臂电压u au与u al图3 直流电压u d,正母线电压+u dc/2,负母线电压-u dc/2以及电压u al,u ao图4 直流电流I dc、A相交流电流i a,流过A相上、下半桥臂电流i au与i a l性。
MM C柔性直流输电系统与其他VSC-H VDC的控制系统相同,大致可分成3个层次,从高层到低层分别为系统级控制、变流器控制和阀控制,各层的主要功能不同。
2.1 系统级控制系统级控制为M MC柔性直流输电系统的最高控制层次,主要功能可包含下面一项或者多项: 与电力调度中心通信联系,接受调度中心的控制指令,并向通信中心传送有关的运行信息; 根据调度中心的指令,改变运行模式及整定值等; 当一个换流站有多个变流器并联运行时,应能根据调度中心给定的运行模式、输电功率指令等分配各变流器输电回路的输电功率,当某一回变流器或者直流线路故障时,应重新分配其他回路的功率以降低对系统的影响; 快速功率变化控制,快速功率变化包括功率的提升和功率的回降,主要用于对直流所连两端交流系统或并列输电交流线路的紧急功率支援; 潮流反转的实现。
2.2 变流器级控制变流器控制是M MC柔性直流输电系统的核34刘 隽,等:基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术心控制,通常采用双环控制,分别为外环功率控制和内环电流控制。
其中外环控制器接受系统级控制器发出的指令参考值,根据控制目标产生合适的参考信号,并传递给内环电流控制器;内环电流控制器接受外环功率控制器的指令信号,经过一系列的运算得到变流器侧输出交流电压期望的参考值,并送到阀控层。
变流器级控制的实现方式为矢量控制(V ec to r Control)。
矢量控制结构比较简单,其响应速度很快,很容易实现过电流等控制,适用于VSC -H VDC 场合。
变流器控制主要的功能包括下面的一项或者多项: 有功功率控制(Activ e Pow er Contr ol); 直流电压控制(DC Vo ltag e Control); 无功功率控制(Reactive Pow er Contr ol); 交流电压控制(A C Vo ltag e Control); 频率控制(Frequency Co ntro l)。
针对一些特殊的应用场合,如系统一端为无源网络、风电场接入系统、孤岛供电等,还可以采用无源交流电压控制(AC Voltage Contr ol fo r Passive Netw o rk)。
为了抑制交流系统故障时产生的过电流和过电压,防止因系统故障而损坏设备,控制系统中还应包括负序电流控制,直流过电压控制和欠电压控制等环节。
2.3 阀控阀控主要包括同步锁相技术、电流平衡控制和直流侧电容器电压平衡控制等,它接收变流器控制器的信号,完成最终的触发任务。
2.4 新型模块化多电平VSC 控制系统结构新型模块化多电平V SC 控制结构包含3个不同的单元,即监测单元、中央控制单元和换流阀单元,如图5所示。
图5 变流器控制结构简图监测单元负责整个系统的反馈与监控,根据设定点值,反馈控制实时向中央控制单元提供数据。
可利用数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)实现这一功能。
中央控制单元的调制器实现子模块电容电压平衡控制。
输出状态控制器用以决定优化的输出状态,以及下一调制周期内的运行顺序。
新型模块化多电平VSC 根据不同的应用场合可以选择不同的调制策略,当运用高开关频率调制(如SVPWM )时,可使用PWM 发生器功能计算开关状态的作用时间;当运用低开关频率调制(如特定次谐波消除)时,可使用开关角计算功能计算调制周期内可关断器件IGBT 的触发角度,并直接对应于其触发时刻。