基于多電平換流器的柔性直流輸電技術(shù)若干關(guān)鍵問(wèn)題研究.pdf

1、電力電子技術(shù)的快速發(fā)展為建設(shè)環(huán)保、高效、堅(jiān)韌的智能電網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，極大地促進(jìn)了柔性交流輸電(FACTS)和高壓直流輸電(HVDC)的發(fā)展。以模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)為代表的多電平換流器具備模塊化設(shè)計(jì)、交直流輸出波形質(zhì)量高、傳輸容量大、有功無(wú)功解耦控制、能夠向弱系統(tǒng)或無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是下一代高壓換流裝置，必將被廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)。本文在

2、總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究以MMC為代表的多電平換流器在柔性直流輸電領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　MMC中包含大量電力電子開關(guān)器件，具有離散化、非線性等特點(diǎn)。以MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，忽略電力電子器件開關(guān)過(guò)程，利用基爾霍夫定律建立了交、直流等效模型。研制了一臺(tái)49電平、380V的MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，控制系統(tǒng)按照35kV樣機(jī)設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)288個(gè)子模塊的觸發(fā)、測(cè)量和保護(hù)功能。
　　子模塊的調(diào)制均壓是MMC穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件，目前在

3、柔性直流輸電工程中，應(yīng)用前景最好的調(diào)制策略是最近電平逼近調(diào)制(Nearest Level Modulation，NLM)，其原因是具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)NLM輸出電壓電平數(shù)較低、諧波含量較大的問(wèn)題，提出能產(chǎn)生2N+1電平的改進(jìn)NLM調(diào)制策略，在具有傳統(tǒng)NLM優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上將交流電壓的輸出電平數(shù)提高了近一倍。同時(shí)，提出了另一種零誤差NLM調(diào)制策略，能消除由于子模塊電壓波動(dòng)導(dǎo)致的輸出電壓與參考電壓之間的誤差，有效抑制了該

4、誤差導(dǎo)致的相間二倍頻環(huán)流，從而在調(diào)制層面解決了相間環(huán)流問(wèn)題。
　　基于MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)在不同工況下的控制策略各不相同。研究了在交流系統(tǒng)對(duì)稱下，換流站級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的控制策略。換流站級(jí)采用前饋交叉解耦和反饋線性化解耦的方法均能實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的解耦控制，系統(tǒng)級(jí)控制則根據(jù)連接交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱來(lái)決定有功無(wú)功的控制量。交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，分別研究了正負(fù)序分解控制策略和基于比例諧振控制器的控制策略，前者通過(guò)負(fù)序控制環(huán)抑制不對(duì)稱故障產(chǎn)生的

5、負(fù)序電流，后者根據(jù)內(nèi)模原理設(shè)計(jì)比例諧振控制器來(lái)控制故障電流。
　　柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)高、輸送功率大，所需的子模塊數(shù)量多達(dá)幾百上千，傳統(tǒng)集中式控制器的芯片處理速度、引腳數(shù)量可能難以滿足要求。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了“主控制器+橋臂控制器”的雙層控制器結(jié)構(gòu)，再將橋臂控制器分成“中央控制單元+組控單元”的分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)組控單元管理若干數(shù)量的子模塊，中央控制單元負(fù)責(zé)組控單元間的均壓等問(wèn)題。這樣的控制結(jié)構(gòu)有效解決了控制芯片容量超標(biāo)問(wèn)題，

6、而且可以根據(jù)子模塊數(shù)量改變組控單元的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)模塊化管理，靈活方便。
　　MMC的模塊化結(jié)構(gòu)使其具備了子模塊冗余保護(hù)的功能，不同的冗余配置方案效果不盡相同。經(jīng)過(guò)分析比較，系統(tǒng)正常時(shí)冗余子模塊采用熱備用狀態(tài)，子模塊故障時(shí)直接旁路故障子模塊的方案最為方便、經(jīng)濟(jì)，同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是MMC上下橋臂子模塊數(shù)不相等，系統(tǒng)處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)這種工況，提出了基于能量平衡的子模塊冗余容錯(cuò)控制策略，提高故障橋臂子模塊電壓以保證所有橋臂子模塊中的能

7、量均衡，消除了橋臂不對(duì)稱運(yùn)行導(dǎo)致的直流電流中的波動(dòng)分量。
　　不同類型的MMC多電平換流器發(fā)展迅速，另外還研究了具備直流故障阻斷能力的基于IGBT換向的橋臂輪換多電平換流器(IGBT-AAMC)的工作原理、調(diào)制策略和直流故障穿越技術(shù)，同時(shí)，提出一種采用晶閘管(SCR)替換IGBT的橋臂輪換多電平換流器(SCR-AAMC)，研究了其換向原理，并對(duì)SCR-AAMC與MMC在器件數(shù)量方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，結(jié)果顯示SCR-AAMC在成本方面