基于多電平換流技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)

張偉，郭利然，蔣英平

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

1 引言

傳統(tǒng)電能是以交流電的形式進(jìn)行傳輸，隨著用電規(guī)模日益增大，電力系統(tǒng)的規(guī)模也隨之?dāng)U大，從而導(dǎo)致交流輸電走廊不斷擴(kuò)大，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的破壞，同時(shí)交流輸電系統(tǒng)具有線路損耗大、電磁干擾嚴(yán)重、無(wú)法與異步電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)等缺點(diǎn)，基于以上局限性，直流輸電技術(shù)近些年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注[1]。

近些年來(lái)綠色環(huán)保理念在各個(gè)領(lǐng)域得到了關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式能源發(fā)展迅速，分布式發(fā)電系統(tǒng)需要接入電網(wǎng)，通過(guò)交流方式實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成一定威脅，然而采用直流方式進(jìn)行并網(wǎng)可以有效降低沖擊電流對(duì)電力系統(tǒng)的危害。直流輸電技術(shù)對(duì)交流系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，通過(guò)電力電子變換裝置將交流電轉(zhuǎn)為直流電，實(shí)現(xiàn)直流電能的傳輸。由于交流電力系統(tǒng)中包含了直流輸電環(huán)節(jié)，因此該系統(tǒng)既具有原系統(tǒng)在電力生產(chǎn)、應(yīng)用等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，又可以克服交流輸電系統(tǒng)自身的缺點(diǎn)，從而保證電能傳輸?shù)母咝院碗娏ο到y(tǒng)運(yùn)行的可靠性[2-5]。

電壓型換流裝置是直流輸電系統(tǒng)的核心單元，常見(jiàn)的換流裝置一般采用兩電平或者三電平調(diào)制方式，需要保證各串聯(lián)功率器件開(kāi)關(guān)的一致性，主要應(yīng)用在高壓大功率領(lǐng)域。多電平換流器(MMC)通過(guò)各個(gè)模塊間的串聯(lián)來(lái)共同分擔(dān)直流母線電壓，避免了功率器件之間的串聯(lián)，同時(shí)可以按串聯(lián)的模塊數(shù)量對(duì)電平數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證了系統(tǒng)輸出波形的正弦度。

本文基于上述原理，提出一種以多電平換流(MMC)技術(shù)為核心的直流輸電系統(tǒng)，對(duì)模塊化多電平換流器的柔性輸電模型進(jìn)行搭建，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有資源消耗少、節(jié)能效果好、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)概述

2.1 柔性直流輸電概述

柔性直流輸電采用功率器件和脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般采用電壓型換流裝置，柔性直流輸電在新能源并網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可以滿足遠(yuǎn)距離孤島供電、城市電網(wǎng)供電和異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等需求。

柔性直流輸電與傳統(tǒng)的直流輸電相比，采用了脈寬調(diào)制技術(shù)并配合使用可關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，因此具有如下特點(diǎn)：

(1)采用PWM對(duì)全控器件進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷控制，無(wú)需外界電網(wǎng)提供換相電壓，因此可以向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離孤島供電。

(2)采用直接電流控制算法與電壓前饋相結(jié)合，通過(guò)矢量控制實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功解耦控制。

(3)通過(guò)改變直流電流的方向即可實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，無(wú)需改變系統(tǒng)控制參數(shù)和線路結(jié)構(gòu)，整個(gè)反轉(zhuǎn)過(guò)程僅需幾個(gè)毫秒即可完成。

(4)柔性直流輸電可以對(duì)電壓精確控制，通過(guò)無(wú)功控制可以抵消系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)壓，從而提高了交流系統(tǒng)的輸電能力和容量。

(5)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，柔性直流參考電壓以交流電壓的幅值和頻率為基準(zhǔn)；系統(tǒng)故障時(shí)，柔性直流立刻啟用自身參考電壓，向系統(tǒng)內(nèi)的重要負(fù)荷供電，并協(xié)助電網(wǎng)恢復(fù)供電和實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)功能。

(6)電壓恒定，通過(guò)對(duì)有功潮流進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者有功恒定，通過(guò)無(wú)功功率調(diào)節(jié)都可以對(duì)交流電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性進(jìn)行改善。

2.2 多電平換流技術(shù)概述

模塊化多電平換流器(MMC)拓?fù)渫ㄟ^(guò)對(duì)子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓、功率等級(jí)的變化，根據(jù)子模塊的數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)任意電平輸出，從而提高輸出電壓的電能質(zhì)量，降低功率器件的開(kāi)關(guān)頻率[6]。多電平換流器的模塊化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)了可擴(kuò)展性，為冗余控制的實(shí)現(xiàn)提供了條件，各模塊共母線連接，可以實(shí)現(xiàn)背靠背結(jié)構(gòu)，模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模塊化多電平換流器拓?fù)?/p>

與兩電平、三電平換流器相比，多電平換流器具有以下特點(diǎn)：

(1)各個(gè)開(kāi)關(guān)器件承受的電壓較小，且平均分配，可有效降低器件的耐壓值，可在高壓大功率場(chǎng)合應(yīng)用。

(2)交流輸出特性與模塊級(jí)聯(lián)數(shù)有關(guān)，子模塊數(shù)增加，電平數(shù)也隨之增加，輸出波形的正弦度就會(huì)提高，諧波畸變率也會(huì)相應(yīng)降低。

(3)輸出相同電壓時(shí)，多電平換流器各功率器件的幵關(guān)頻率低，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗，提升了系統(tǒng)效率。

(4)多電平結(jié)構(gòu)可以避免多重化變壓器的使用，減小了設(shè)備的體積和重量，既降低了成本又提高了系統(tǒng)了可靠性[7]。

3 模塊化多電平換流器

3.1 工作原理

MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，三相多電平換流器由六個(gè)相互對(duì)稱的橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括N個(gè)子模塊和一個(gè)電抗器，每一相包括2N個(gè)子模塊。三相MMC系統(tǒng)等效電路圖如圖2所示，通過(guò)可控電壓源uai,ubi,uci(i=1,2)來(lái)等效三相各子模塊的橋臂電壓，其中1表示上橋臂，2表示下橋臂。i為各個(gè)橋臂流過(guò)的電流。

圖2 MMC等效電路圖

為了保證直流側(cè)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，每相上下橋臂子模塊的輸入要對(duì)稱互補(bǔ)，一般要求同相上下兩個(gè)橋臂的子模塊互補(bǔ)對(duì)稱輸入，同時(shí)還要保證同相上下橋臂導(dǎo)通模塊數(shù)之和要與一個(gè)橋臂的子模塊數(shù)量相等[8]。

以直流側(cè)電壓4000V，MMC每個(gè)橋臂子模塊數(shù)為4為例，由MMC電路拓?fù)浼跋嚓P(guān)原理分析可知，每個(gè)模塊的電容電壓限值為1000V，橋臂導(dǎo)通狀態(tài)與輸出電壓關(guān)系如表1所示。

表1 橋臂導(dǎo)通狀態(tài)與輸出電壓關(guān)系

3.2 調(diào)制方法

為了降低輸出電壓、電流的諧波畸變率，交流側(cè)需要實(shí)現(xiàn)多電平輸出，因此需要采用特殊的調(diào)制方式。多電平換流器的調(diào)制方式與電平數(shù)、開(kāi)關(guān)頻率和電容均壓控制的難易程度有關(guān)系，對(duì)于輸出電平較多的MMC，通常采用低開(kāi)關(guān)頻率的調(diào)制方法以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率，常見(jiàn)的調(diào)制方法包括特定諧波消除法、空間矢量PWM法和最近電平調(diào)制法，前兩種方法在多電平調(diào)制中應(yīng)用時(shí)計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)困難，因此最近電平調(diào)制法更適用于多電平換流器[9]。

最近電平調(diào)制法將階梯波進(jìn)行疊加從而與正弦波逼近，通過(guò)對(duì)目標(biāo)電壓的量化逼近實(shí)現(xiàn)調(diào)制的目的，量化誤差與電平數(shù)有關(guān)，電平數(shù)越多，其誤差越小，由于調(diào)制和控制算法相分離，控制算法的難易程度不會(huì)隨之改變[10]。子模塊數(shù)N=5時(shí)調(diào)制示意圖如圖3所示。

圖3 最近電平調(diào)制示意圖(N=5)

4 多電平換流器建模與控制

本文中換流器采用矢量控制策略，通過(guò)dq軸電流解耦實(shí)現(xiàn)直接電流控制。通過(guò)3s/2r坐標(biāo)變換將三相交流量變換成兩相直流量，并在dq坐標(biāo)系中建立控制算法數(shù)學(xué)模型。下面在MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模。

4.1 MMC數(shù)學(xué)模型

根據(jù)基爾霍夫電流定律和電壓定律可知，三相電流ik(k=a,b,c)可以表示為：

ik=ipk+ink

(1)

式中,p表示上橋臂，n表示下橋臂，在三相靜止坐標(biāo)系下多電平換流器的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

(2)

式中,L表示橋臂電感，R表示橋臂等效電阻，vk=(unk-upk)/2(k=a,b,c)，對(duì)式(2)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換可以得到dq坐標(biāo)系下MMC的數(shù)學(xué)模型：

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行拉普拉斯變換得到頻域數(shù)學(xué)模型，表達(dá)式如下：

(4)

由dq變換可知uq=0，進(jìn)而可以求得交流系統(tǒng)與換流器間的有功功率和無(wú)功功率如下：

(5)

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多電平換流器控制采用矢量控制策略，并采用雙閉環(huán)控制方法，即功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制。式(4)中ud、uq為電網(wǎng)電壓前饋分量，ωLiq，ωLid為dq軸電流耦合分量，vd，vq為電流控制器輸出的電壓指令，表達(dá)式如下：

(6)

內(nèi)環(huán)電流給定值可由外環(huán)得到，由式(5)可知，根據(jù)有功和無(wú)功功率的給定可以得到dq軸電流給定，如下所示：

(7)

根據(jù)自動(dòng)控制理論，給定電流與實(shí)際反饋電流的差值進(jìn)行比例積分運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)，同時(shí)可以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

5 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型的正確性，通過(guò)仿真對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，構(gòu)建一個(gè)3條直流線路的柔性輸電系統(tǒng)，其中包括3個(gè)換流裝置，假設(shè)交流源是理想的。換流站1采用恒壓控制，換流站2和3采用定恒功控制，系統(tǒng)控制系參數(shù)kp=1.2，ki=4.5。系統(tǒng)仿真波形如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真波形

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：采用功率、電流雙閉環(huán)矢量控制策略具有較好的控制效果，系統(tǒng)在0.8s左右進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在3s時(shí)將換流站3的功率進(jìn)行突變，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真波形

此時(shí)換流站1和2按各自的功率-電壓曲線進(jìn)行功率自調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡和穩(wěn)定輸出，具有較好的性能。

6 結(jié)論

基于多電平換流技術(shù)對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)MMC的運(yùn)行特性搭建數(shù)學(xué)模型，對(duì)換流器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。采用多電平換流技術(shù)的直流輸電系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，降低了功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，有利于降低成本和提高系統(tǒng)效率，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。