新型模塊化多電平換流器通用平臺(tái)的研究

陳宏　李武華

摘 要 為了提高學(xué)生在高壓直流輸電方面的科研能力，探索模塊化多電平換流器的擴(kuò)展配置，提出把專業(yè)知識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)制作了新型模塊化多電平換流器通用平臺(tái)的方案，采用 T型全橋子模塊的拓?fù)渲貥?gòu)，串行通信的MMC層次化控制方案，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俣?，具有通用性和可擴(kuò)展性。整個(gè)新型模塊化多電平換流器通用平臺(tái)達(dá)到最高直流電壓2KV，最大容量100KW，子模塊電容4800uF，橋臂電抗器10mH的技術(shù)指標(biāo)。實(shí)踐證明，自制新型模塊化多電平換流器通用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) MMC靈活配置，培養(yǎng)專業(yè)人才，是實(shí)現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用的重要實(shí)踐典范。

關(guān)鍵詞 高壓直流輸電 模塊化多電平換流器 全橋子模塊 串行通信

中圖分類號(hào)：TM721.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.07.011

AbstractIn order to improve students' research ability on the high voltage direct current transmission and explore the expansion configuration of modular multilevel converter， the new modular multilevel converter universal platform is proposed to design and fabricate with the combination of the specialty knowledge and the practical application. The key technologies including T-type full-bridge sub-module topology and the serial communication in Hierarchical control scheme are utilized for the universal requirement and scalable demand to improve the capacity and speed of communication. The working parameter can reach the 2KV direct grid with 100KW capacity， 4800uF sub-module capacitance， and 10mH bridge arm reactor. It is demonstrated by the practical experience that self-fabricated new modular multilevel converter universal platform can realize the flexible MMC configuration and cultivate the specialty researchers， which is the vital practical example to convert the scientific results into the engineering application.

Keywords flexible high voltage direct current transmission; modular multilevel converter （MMC）; full-bridge sub-module; serial communication

0引言

在我國(guó)西部地區(qū)電力充足、東部地區(qū)電力緊缺的實(shí)際狀況中，電力能源的運(yùn)輸顯得尤其重要。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)將發(fā)展成為以特高壓為骨干輸電網(wǎng)架，西電東送容量超過(guò)1.5億kW的巨型交直流電網(wǎng)。[1]高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）比交流輸電具有更高的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性。[2]高壓直流輸電技術(shù)沒(méi)有感抗、容抗、同步等等的無(wú)功問(wèn)題，電能損耗小，傳輸線路建設(shè)造價(jià)低，電壓分布平穩(wěn)，傳輸效率高，節(jié)能效果好，因此高壓直流輸電技術(shù)在大功率遠(yuǎn)距離輸電中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的前沿技術(shù)，也是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

模塊化多電平換流器 （ modular multilevel converter ， MMC ）無(wú)需大量 IGBT 串聯(lián)、器件承受電壓變化率低、輸出波形諧波含量較低，已成為柔性直流輸電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。[4]MMC基于模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)電壓和功率等級(jí)的靈活變化，適合用于直流輸電。[5]具有對(duì)器件一致觸發(fā)動(dòng)態(tài)均壓要求低、擴(kuò)展性好、輸出電壓波形品質(zhì)高、開(kāi)關(guān)頻率低、運(yùn)行損耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)。[6]縱觀目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所搭建的MMC樣機(jī)，其控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)通常較為單一，通用性較差，難以實(shí)現(xiàn)MMC樣機(jī)全狀態(tài)運(yùn)行變量的準(zhǔn)確控制和監(jiān)測(cè);此外，現(xiàn)有工程樣機(jī)往往針對(duì)某一特定子模塊拓?fù)溟_(kāi)發(fā)，在硬件上缺乏擴(kuò)展能力。

因此在高校的實(shí)踐教學(xué)中，開(kāi)展新型模塊化多電平換流器通用平臺(tái)的自制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種電平柔性直流輸電，把電力電子及電力傳動(dòng)技術(shù)和電力傳輸?shù)膽?yīng)用實(shí)踐相結(jié)合開(kāi)展實(shí)踐研究，使高年級(jí)本科生和研究生更深層次地理解專業(yè)知識(shí)，為高年級(jí)本科生和研究生的教學(xué)研究，提供了實(shí)踐應(yīng)用平臺(tái)，對(duì)于提高高壓直流輸電的研究水平，探索高壓直流輸電的新技術(shù)，培養(yǎng)高壓直流輸電的科研技術(shù)人才都有積極的促進(jìn)作用。

1新型MMC通用平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)踐

在設(shè)計(jì)實(shí)踐中包含對(duì)新型MMC通用平臺(tái)的原理認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)制作和運(yùn)行分析三個(gè)方面的實(shí)踐工作。

1.1 新型MMC通用平臺(tái)的工作原理

HVDC輸電以其在長(zhǎng)距離大容量輸電、海底電纜輸電和非同步聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛應(yīng)用，高壓直流輸電的核心設(shè)備是換流器，換流器是實(shí)現(xiàn)交直流電相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備，當(dāng)其工作在整流（ 或逆變） 狀態(tài)時(shí)，又稱為整流器（ 或逆變器）。 [7]已有的電壓源換流器高壓直流輸電（voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC—HVDC）是一種基于電壓源換流器和自關(guān)斷器件的新型輸電技術(shù)，提高電網(wǎng)的電壓及頻率穩(wěn)定性，具有交流電流諧波含量低、直流電壓恒定等特點(diǎn)。[8]電壓源換流器開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高而導(dǎo)致的較大損耗、電壓等級(jí)低、絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）器件串聯(lián)引起的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均壓和電磁干擾等，3電平、多電平拓?fù)渚哂休敵鎏匦圆睢㈦y以模塊化生產(chǎn)，需要大量額外的獨(dú)立直流電源，并且其拓?fù)渲胁淮嬖诠驳闹绷髡?、?fù)極母線，因而不適用于高壓直流輸電領(lǐng)域。[9]MMC克服了VSC的技術(shù)難題，目前半橋和全橋MMC是高壓大功率柔性直流輸電的熱點(diǎn)研究對(duì)象，MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比VSC技術(shù)的2電平和3電平拓?fù)浜茫绕涫潜苊饬薞SC輸出特性差的缺點(diǎn)，MMC能夠有效降低能量損耗。圖1是MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。[9]

圖1中子模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所示。

MMC具有半橋型電路和全橋型電路的應(yīng)用模式。半橋型MMC損耗小，全橋型MMC輸出三種電平，可以解決直流側(cè)短路的故障。[10]但是柔性直流輸電的高壓大功率電網(wǎng)中，電壓等級(jí)高，子模塊數(shù)目多，測(cè)試工作量大，這是研制新型MMC通用平臺(tái)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.2設(shè)計(jì)制作

在新型MMC通用平臺(tái)的工程設(shè)計(jì)制作中，需要完成平臺(tái)的配置，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立和通信方案制作3個(gè)方面的工作。

1.2.1 新型MMC通用平臺(tái)的配置

MMC在高壓直流輸電的電網(wǎng)中工作時(shí)，由多個(gè)控制器協(xié)調(diào)工作、信息交互量大，為此建立的系統(tǒng)配置如圖2所示。

主要的參數(shù)如表2所示。

1.2.2 新型MMC通用平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC的工程設(shè)計(jì)的需要滿足電壓等級(jí)高，系統(tǒng)容量大，子模塊數(shù)目多，可靠性要求高，測(cè)試組裝工作量大，控制系統(tǒng)復(fù)雜等要求。實(shí)現(xiàn)直流電壓2KV，額定容量100KW的系統(tǒng)參數(shù)中工作。通過(guò)集成化可控設(shè)計(jì)和層次化MMC通信方案實(shí)現(xiàn)新型MMC通用平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)集成化的可控設(shè)計(jì)采用的T型全橋模塊如圖3所示，集成化功能模塊，靈活可控。

對(duì)圖3所示的T型全橋通過(guò)拓?fù)渲貥?gòu)，衍生出不同的子模塊拓?fù)溥\(yùn)行工作，制作了25電平MMC工程樣機(jī)。同時(shí)在MMC控制部分合理安排輸入輸出通道制作板卡式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主控制器硬件靈活配置，滿足后期擴(kuò)展的需要。

1.2.3 新型MMC通用平臺(tái)的通信方案

根據(jù)圖2中新型MMC通用平臺(tái)的系統(tǒng)配置，在MMC控制系統(tǒng)中根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的需要，采用層次華通信的方案，如圖4所示，模塊分類，串行通信，提升數(shù)據(jù)容量和可靠性。

在圖4中，根據(jù)通信時(shí)序和優(yōu)先級(jí)別，對(duì)MMC控制系統(tǒng)按照層次化通信方案劃分為模組控制、站點(diǎn)控制和站級(jí)控制三個(gè)層次，采用串行通信工作方式，提升信息傳輸?shù)娜萘亢涂煽啃浴Ｆ渲心＝M控制和站點(diǎn)控制之間采用光纖通信，站級(jí)控制和站點(diǎn)控制采用網(wǎng)線通信，融合了集中控制與分布式控制的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 運(yùn)行分析

新型MMC通用平臺(tái)的總設(shè)計(jì)的子模塊的輸出電壓為橋臂電壓的1/N，N為子模塊的數(shù)目，輸出電流為橋臂電流。如圖5所示。

圖5中的子模塊的輸出包含直流和交流分量。子模塊A相電壓和電流的計(jì)算公式為：

在整流和逆變時(shí)的電壓、電流波形如圖6所示?？梢钥闯鲎幽K電流均包含直流分量和交流分量，由此導(dǎo)致子模塊電容存在基頻和二倍頻電壓波動(dòng)，其電容電壓波動(dòng)大小與實(shí)際應(yīng)用是一致的，說(shuō)明新型MMC通用平臺(tái)的運(yùn)行符合實(shí)際應(yīng)用中直流輸電的需要。

圖6 新型MMC通用平臺(tái)子整流和逆變時(shí)電壓、電流波形

2新型MMC通用平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)踐效果

2.1 解決實(shí)踐難題

新型MMC通用平臺(tái)利用全橋子模塊及其擴(kuò)展拓?fù)浼蓪?shí)現(xiàn)25電平柔性直流輸電，滿足平臺(tái)通用性和可擴(kuò)展的需求，采用串行通信的MMC層次化控制方案，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俣龋滦蚆MC通用平臺(tái)解決了柔性直流輸電的高壓大功率電網(wǎng)中，電壓等級(jí)高，子模塊數(shù)目多，測(cè)試工作量大的技術(shù)難題，把電力電子及電力傳動(dòng)技術(shù)和電力傳輸?shù)膽?yīng)用實(shí)踐相結(jié)合開(kāi)展實(shí)踐設(shè)計(jì)，不僅推動(dòng)科研人員的工作實(shí)踐能力的提高，而且達(dá)到了很好的技術(shù)實(shí)踐效果。

2.2 自制設(shè)備提供研究平臺(tái)

設(shè)計(jì)的新型MMC通用平臺(tái)把電力電子及電力傳動(dòng)技術(shù)和通信、電子信息方面的專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，為高壓直流輸電的理論聯(lián)系實(shí)踐提供了良好的研究平臺(tái)。新型的MMC通用平臺(tái)，使得進(jìn)一步研究和探索高壓直流輸電技術(shù)成為可能，尤其在客戶化應(yīng)用中，針對(duì)不同發(fā)電環(huán)境的復(fù)雜情況做靈活配置，解決工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際問(wèn)題提供了良好的測(cè)試平臺(tái)和應(yīng)用前景，而且為高年級(jí)本科生和研究生成為高壓直流輸電技術(shù)的專業(yè)科研力量，提供了人才培養(yǎng)平臺(tái)。

3結(jié)語(yǔ)

大學(xué)創(chuàng)新教學(xué)旨在實(shí)現(xiàn)“讓每一位學(xué)生發(fā)自內(nèi)心地學(xué)習(xí)”， 實(shí)踐法是促進(jìn)或檢驗(yàn)學(xué)生知識(shí)掌握與應(yīng)用情況的重要方法。[11]自研自制新型MMC通用平臺(tái)的設(shè)計(jì)，利用全橋子模塊及其擴(kuò)展拓?fù)浼蓪?shí)現(xiàn)25電平柔性直流輸電，滿足平臺(tái)通用性和可擴(kuò)展的需求，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俣?，在主控制器硬件設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了控制器資源的靈活配置，實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)新型MMC通用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用和專業(yè)知識(shí)的有效結(jié)合，不但提高了高年級(jí)本科生和研究生的科研能力，而且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、對(duì)新技術(shù)開(kāi)展實(shí)踐探索。既可以調(diào)動(dòng)專業(yè)探索的科研興趣，又能夠把研究成果應(yīng)用于工程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)科研成果的實(shí)際轉(zhuǎn)化，具有重大的社會(huì)實(shí)踐意義。

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