基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及柔性直流輸電技術(shù)，尤其涉及一種基于模塊化多電平換流器的柔性直 流輸電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 柔性直流輸電是一種以電壓源換流器（VSC)、可控關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制（PWM)技 術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)。該直流輸電技術(shù)能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控 制、可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、換流站間無(wú)需通訊、易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。此外，該輸電技術(shù)能同 時(shí)向系統(tǒng)提供有功功率和無(wú)功功率的緊急支援，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具 有明顯優(yōu)勢(shì)。
[0003] 基于電壓源換流器（VSC)的柔性直流輸電技術(shù)，相比傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)， 具有控制和運(yùn)行方式靈活的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于為城市和遠(yuǎn)端孤立負(fù)荷供電、可再生能源及 海上發(fā)電并網(wǎng)等場(chǎng)合。
[0004] 但是，現(xiàn)有柔性直流輸電技術(shù)，仍存在系統(tǒng)損耗大（即開關(guān)損耗較大），不能控制 直流側(cè)故障時(shí)的故障電流等問(wèn)題。柔性直流輸電系統(tǒng)中采用了IGBT器件，在觸發(fā)控制上采 用PWM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)很高的開關(guān)頻率，換流站的輸出電壓諧波量也較小，相對(duì)于傳統(tǒng)的直流 輸電系統(tǒng)，柔性直流輸電換流站安裝的濾波裝置的容量已經(jīng)大為減少。但上述柔性直流輸 電系統(tǒng)，在觸發(fā)控制技術(shù)和進(jìn)一步降低輸出電壓諧波含量方面，還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流 輸電系統(tǒng)，以進(jìn)一步降低其控制系統(tǒng)的復(fù)雜度、提高可靠性和降低輸出電壓的諧波含量。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007]-種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，包含模塊化多電平換流器MMC電路；所述MMC電路包含由多個(gè)子模塊與電感器經(jīng)串聯(lián)組合成的換流臂。
[0008]其中：所述的子模塊進(jìn)一步包括一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流電容器。
[0009] 所述電感器用于控制相間電流，并在故障時(shí)為換流器提供保護(hù)。
[0010] 所述MMC的每相拓?fù)洌?N個(gè)子模塊，能輸出N+1個(gè)電平。
[0011] 一種基于載波相移PWM調(diào)制的MMC控制方法，包括如下步驟：
[0012] A、對(duì)N個(gè)功率單元，利用三角形載波依次移相載波周期T。= 2JI的N分之一，然 后與相同的正弦調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生N組PWM調(diào)制波來(lái)驅(qū)動(dòng)N個(gè)功率單元；
[0013] B、將各個(gè)功率單元的輸出電壓相互疊加，產(chǎn)生了多電平換流器的等效PWM輸出電 壓波形。
[0014] 本發(fā)明所提供的基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] 采用模塊化多電平換流器MMC電路，能夠降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜度、提高可靠性和 降低輸出電壓的諧波含量。采用MMC控制方法，只需要移相各個(gè)單元的載波，而調(diào)制波不 變，因此易于實(shí)現(xiàn)。而且采用該控制方法不會(huì)增加輸出電壓的諧波分量。經(jīng)四電平MMC仿 真實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)果證明該調(diào)制方法是正確的。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為現(xiàn)有柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理示意圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中采用的模塊化多電平換流器（MMC)組成電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示 意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的整流器控制系統(tǒng)的原理示意圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的逆變器控制系統(tǒng)的原理示意圖；
[0020] 圖5為逆變器側(cè)的線電壓（交流、標(biāo)幺值）；
[0021] 圖6為逆變器側(cè)的相電壓（交流、標(biāo)幺值）；
[0022] 圖7為逆變器側(cè)的線電壓諧波頻譜；
[0023] 圖8為逆變器側(cè)的相電壓諧波頻譜；
[0024] 圖9為逆變側(cè)的相電壓（交流、標(biāo)幺值）；
[0025] 圖10為逆變側(cè)的線電壓（交流、標(biāo)幺值）。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明基于模塊化多電平換流器的柔性直流 輸電系統(tǒng)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0027] 圖1為現(xiàn)有柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理示意圖。其中，兩端的換流站均采用電壓 源換流器（VSC)結(jié)構(gòu)、換流變壓器、換流電抗器、直流電容器和輸電電纜等部分組成。
[0028] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中采用的模塊化多電平換流器（MMC)組成電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示 意圖。電壓源換流器采用模塊化多電平換流器（MMC)，由于其具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠性高、 諧波含量低等多種優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0029] 由圖2所示的模塊化多電平換流器（MMC)的組成電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，該拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)利用多個(gè)子模塊（SM，Sub-Module)的串聯(lián)組合成換流器的各個(gè)橋臂，即換流臂。就MMC 模塊（或電路）而言，在任何時(shí)候，IGBTl的狀態(tài)，導(dǎo)通或者關(guān)斷，都與IGBT2是相反的，即 當(dāng)IGBTl導(dǎo)通的時(shí)候，IGBT2關(guān)斷；當(dāng)IGBTl關(guān)斷的時(shí)候，IGBT2導(dǎo)通。只有這樣，直流電容 器才能輸出穩(wěn)定的電壓。
[0030] 在本實(shí)施例的模塊化多電平換流器中，有6個(gè)換流臂，每個(gè)換流臂由若干子模塊 和電感串聯(lián)組成。每個(gè)子模塊包括：一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流電容器。電感器主要用來(lái)控 制相間換流，并在故障時(shí)為換流器提供保護(hù)。直流電容器主要用來(lái)支撐直流側(cè)的電壓。
[0031] 對(duì)于三相MMC (即模塊化多電平換流器MMC電路數(shù)量為3時(shí)）的拓?fù)?，直流?cè)電壓 由直流電容器和電感器分壓，即
[0033] 其中：Ud為直流側(cè)電壓，j = 1，2,…，N為u相的N個(gè)子模塊，V ju為u相的第j個(gè) 組模塊的輸出電壓；1為電感；1。3和i Na分別為上臂和下臂電流。
[0034] 從MMC的每相的拓?fù)淇芍肯嘤?N個(gè)子模塊組成，能輸出N+1個(gè)電平，而且，電 容器由主電路的電流充電。
[0035] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的整流器控制系統(tǒng)的原理示意圖?；贛MC的整流器的控制 原理為：一方面，將無(wú)功功率的實(shí)際值與無(wú)功功率的參考值進(jìn)行比較，差值經(jīng)過(guò)PI (比例積 分）環(huán)節(jié)，獲得調(diào)制比M值，經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲和限幅環(huán)節(jié)，送往PWM ;另一方面，根據(jù)直流電壓 和直流電流計(jì)算出直流功率，并與直流功率參考值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲后，將差值送往 潮流控制器，以計(jì)算觸發(fā)角，并將觸發(fā)角的指令送往PWM。PWM根據(jù)M值指令和觸發(fā)角指令， 生成控制IGBT的脈沖，從而控制有功功率和無(wú)功功率。
[0036] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的逆變器控制系統(tǒng)的原理示意圖?；贛MC的逆變器的控制 原理為：一方面，將直流電壓的實(shí)際值與參考值進(jìn)行比較，差值經(jīng)過(guò)比例積分（PI)環(huán)節(jié)，計(jì) 算出觸發(fā)角并送往PWM ;另一方面，將交流電壓的實(shí)際值與參考值進(jìn)行比較，差值經(jīng)過(guò)比例 積分（PI)環(huán)節(jié)，計(jì)算出調(diào)制比M值并送往PWM。PWM根據(jù)M值指令和觸發(fā)角指令，生成控制 IGBT的脈沖，從而控制直流電壓和接受端母線電壓。
[0037] 本發(fā)明還提出一種基于載波相移PWM調(diào)制的MMC控制方法，即對(duì)N個(gè)功率單元，
進(jìn)行比較，以產(chǎn)生N組PWM調(diào)制波來(lái)驅(qū)動(dòng)N個(gè)功率單元。各個(gè)功率單元的輸出電壓相互疊 加，產(chǎn)生了多電平換流器的等效PWM輸出電壓波形。采用該MMC控制方法，具有下列優(yōu)點(diǎn)： 1)該算法只需要移相各個(gè)單元的載波，而調(diào)制波不變，易于實(shí)現(xiàn)；2)該算法不會(huì)增加輸出 電壓的諧波分量。
[0038] 本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)四電平MMC的仿真實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)果證明該調(diào)制方法是正確 的，具體如圖5~圖10所示。
[0039] 本發(fā)明就基于電壓源換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了分 析。取每個(gè)子模塊的電容電壓為基準(zhǔn)值，那么電容電壓的標(biāo)么值就為％= l(p.u.)，直流側(cè) 電壓就為3 (p. u.)。頻率為fQ= 50Hz，電感為L(zhǎng) = 0? 004H。
[0040] 所述的柔性直流輸電系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，逆變器的線電壓輸出分別如下：
[0041] 圖5為逆變器側(cè)的線電壓（交流、標(biāo)幺值）；圖6為逆變器側(cè)的相電壓（交流、標(biāo) 幺值）。其中，圖7為逆變器側(cè)的線電壓諧波頻譜；圖8為逆變器側(cè)的相電壓諧波頻譜。
[0042] 為研宄柔性直流輸電系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性：
[0043] 本發(fā)明實(shí)施例在逆變側(cè)設(shè)置了一個(gè)三相短路故障，故障清除時(shí)間為0. 5s。其逆變 器側(cè)交流電壓的波形分別如下：
[0044] 圖9為逆變側(cè)的相電壓（交流、標(biāo)幺值）；圖10為逆變側(cè)的線電壓（交流、標(biāo)幺 值）。
[0045] 由以上仿真結(jié)果可知，在三相短路故障清除后，逆變側(cè)的交流系統(tǒng)能夠維持暫態(tài) 電壓穩(wěn)定性。
[0046] 因此可得出如下結(jié)論：
[0047] 1)基于載波相移PWM算法的控制方法能夠很好的控制MMC。
[0048] 2)整流器和逆變器的控制方法是正確、且有效的，能夠確保逆變側(cè)的電壓諧波很 小。
[0049] 3)基于電壓源換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)有很好的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。
[0050] 以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，包含模塊化多電 平換流器MMC電路；所述MMC電路包含由多個(gè)子模塊與電感器經(jīng)串聯(lián)組合成的換流臂。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于， 所述的子模塊進(jìn)一步包括一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流電容器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于， 所述電感器用于控制相間電流，并在故障時(shí)為換流器提供保護(hù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于， 所述MMC的每相拓?fù)?，包?N個(gè)子模塊，能輸出N+1個(gè)電平。5. -種基于載波相移PWM調(diào)制的MMC控制方法，其特征在于，包括如下步驟： A、 對(duì)N個(gè)功率單元，利用三角形載波依次移相載波周期T。= 2 的N分之一，然后與 相同的正弦調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生N組PWM調(diào)制波來(lái)驅(qū)動(dòng)N個(gè)功率單元； B、 將各個(gè)功率單元的輸出電壓相互疊加，產(chǎn)生了多電平換流器的等效PWM輸出電壓波 形。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其包含模塊化多電平換流器MMC電路；所述MMC電路包含由多個(gè)子模塊與電感器經(jīng)串聯(lián)組合成的換流臂。采用本發(fā)明基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步降低其控制系統(tǒng)的復(fù)雜度、提高可靠性和降低輸出電壓的諧波含量。
【IPC分類】H02J3/01, H02J3/36, H02M7/00
【公開號(hào)】CN104993510
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510477776
【發(fā)明人】劉鵬, 呂志來(lái), 李海
【申請(qǐng)人】國(guó)家電網(wǎng)公司, 北京許繼電氣有限公司
【公開日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年8月6日