低電平MMC-HVDC樣機(jī)濾波裝置設(shè)計(jì)

王衛(wèi)安， 桂衛(wèi)華

(1.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 長沙 410083； 2.南車電氣技術(shù)與材料工程研究院， 株洲 412001)

低電平MMC-HVDC樣機(jī)濾波裝置設(shè)計(jì)

王衛(wèi)安1，2， 桂衛(wèi)華1

(1.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 長沙 410083； 2.南車電氣技術(shù)與材料工程研究院， 株洲 412001)

為了確保低電平模塊化多電平換流器直流輸電(MMC-HVDC)樣機(jī)注入公共電網(wǎng)的諧波含量符合現(xiàn)有的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條例，對其進(jìn)行配套的濾波裝置設(shè)計(jì)是必要的。文章根據(jù)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推導(dǎo)出了MMC的等值電路，并將MMC看成一個(gè)有多種諧波的諧波電壓源，從而設(shè)計(jì)了MMC交流側(cè)諧波的等效電路。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合MMC-HVDC的調(diào)制策略，設(shè)計(jì)出了與樣機(jī)配套的濾波裝置，仿真結(jié)果表明了其濾波裝置設(shè)計(jì)方法的正確性。

智能電網(wǎng)； 電能質(zhì)量； 高壓直流輸電； 模塊化多電平換流器； 調(diào)制策略； 濾波裝置； 低電平

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步、科技和信息化水平的提高以及全球資源和環(huán)境問題的日益突出，電網(wǎng)發(fā)展面臨著新課題和新挑戰(zhàn)。依靠現(xiàn)代信息、通信和控制技術(shù)，積極地發(fā)展智能電網(wǎng)，適應(yīng)未來可持續(xù)發(fā)展的要求，已成為國際電力發(fā)展的現(xiàn)實(shí)選擇[1，2]。

基于電壓源換流器的直流輸電VSC-HVDC(v-

oltate-sourced converter high voltage direct cur-

rent)技術(shù)，即柔性直流輸電技術(shù)，是新一代更為靈活、環(huán)保的直流輸電技術(shù)，解決了常規(guī)直流輸電的諸多固有瓶頸[3，4]，是智能電網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[1，5]，根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)，很適合應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)，分布式發(fā)電并網(wǎng)，孤島供電，城市電網(wǎng)供電，異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域[6，7]。

模塊化多電平換流器MMC(modular multilevel converter)[8]是西門子公司提出的一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓源換流器VSC(voltate-sourced converter)，這種結(jié)構(gòu)將一個(gè)單管H橋集成在一個(gè)子模塊內(nèi)，再將子模塊串聯(lián)，從而避開了大量開關(guān)器件的直接串聯(lián)的難題，對器件的開關(guān)一致性要求不高[9]；可以達(dá)到很大的電平數(shù)；輸出特性好。

為了更好地研究和掌握MMC-HVDC核心技術(shù)，同時(shí)考慮到投資成本，南車電氣技術(shù)與材料工程研究院擬建立如圖1所示的5電平背靠背MMC-HVDC樣機(jī)。由于樣機(jī)電平數(shù)比較低，MMC運(yùn)行狀況的非線性將會產(chǎn)生較大的諧波，這會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，并產(chǎn)生一系列的危害[10]，因此對低電平MMC-HVDC樣機(jī)產(chǎn)生的諧波污染進(jìn)行治理是必要的，這也與智能電網(wǎng)所提倡的“清潔、環(huán)保、高效”理念[2，11]相一致。本文采用在樣機(jī)交流側(cè)配置濾波裝置的方法來對圖1的MMC注入公共電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC(point of common coupling)的諧波進(jìn)行抑制，使之滿足現(xiàn)有的電能質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并通過仿真來驗(yàn)證該方法的正確性。圖1所示的雙端有源MMC-HVDC樣機(jī)系統(tǒng)對稱，Zs1、Zs2為系統(tǒng)阻抗；濾波裝置安放在換流變壓器的閥側(cè)，一方面可以降低濾波器承受電壓的等級，從而減少濾波器設(shè)計(jì)成本；另一方面可以在閥側(cè)對MMC產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制，從而可以減少諧波對換流變壓器的危害。

圖1 MMC-HVDC樣機(jī)

1 MMC等值電路

圖1中MMC基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[10，12]。

MMC基本的電路單元稱為子模塊，由兩個(gè)絕緣門雙極晶體管IGBT(insulated gate bipolar transistor)開關(guān)器件和一個(gè)直流儲能電容構(gòu)成。出于模塊化設(shè)計(jì)、制造和裝配的目的，各子模塊的額定值相同。換流器的三相橋臂均是通過一定量的具有相同結(jié)構(gòu)的子模塊和一個(gè)閥電抗器串聯(lián)組成。閥電抗器主要起到限制相單元間環(huán)流以及故障電流上升率的作用，每個(gè)橋臂電抗器的值也相等。通過變化所使用的子模塊的數(shù)量，就可以靈活改變換流器的輸出電壓和功率等級。由于各個(gè)相單元中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)是一個(gè)定值[12]，所以可以通過將各相單元中處于投入狀態(tài)的子模塊在該相單元上、下橋臂之間進(jìn)行分配而實(shí)現(xiàn)對a、b、c三點(diǎn)輸出交流電壓的調(diào)節(jié)。

各子模塊按正弦規(guī)律依次投入，構(gòu)成的橋臂電壓可以用一個(gè)受控基波電壓源Upj，Unj(j=a,b,c)等效。圖2上、下橋臂閥電抗器不相連的兩端點(diǎn)等電位[13]，則每相上下橋臂的電抗相當(dāng)于并聯(lián)。因此，可以將等電位點(diǎn)虛擬短接，從而可以將閥電抗器移到換流器交流輸出線上。根據(jù)上面的分析，得到的MMC等值電路如圖3所示。

圖2 MMC基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 MMC等值電路

圖3中，m=(a,b,c)；vm為圖2等電位點(diǎn)的電壓；等效電抗器L的值為圖2中單個(gè)橋臂串聯(lián)電抗器值的一半。

2 MMC交流側(cè)諧波分析計(jì)算

2.1基于NLM的MMC輸出端口基波和諧波電壓計(jì)算

圖3的MMC輸出端口電壓vm的基波和諧波特性與MMC采用的調(diào)制策略有關(guān)，由于MMC自身所具有的“模塊化”構(gòu)造特點(diǎn)，可以簡便地得到較高電平的多電平輸出。當(dāng)輸出電平較大時(shí)，可以摒棄傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制PWM(pulse width modulation)高頻控制方式，采用低開關(guān)頻率的多電平控制方式就能得到品質(zhì)較優(yōu)的波形。低開關(guān)頻率可以帶來器件開關(guān)損耗及系統(tǒng)總損耗的極大降低，提高換流系統(tǒng)的效率、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。最近電平逼近調(diào)制NLM(nearest level modulation)[14]是一種較好的低開關(guān)頻率的多電平控制方式，該調(diào)制的原理是使用最近的電壓矢量或電平瞬時(shí)逼近調(diào)制波，如圖4所示[14～16]?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的MMC-HVDC工程中，MMC子模塊數(shù)較多，輸出電平大，因此本文將NLM作為圖1樣機(jī)MMC的調(diào)制策略。

圖4 最近電平逼近調(diào)制策略示意圖

圖4的調(diào)制波us=m·sin(ωNt)、Uc為子模塊平均電壓。由圖4可知NLM調(diào)制的輸出電壓波形為1/4周波奇對稱，運(yùn)用傅里葉級數(shù)理論，根據(jù)前1/4周期內(nèi)的一組開關(guān)角就可以得到NLM調(diào)制時(shí)的A相MMC輸出端口va的基波和諧波電壓解析表達(dá)式，如式(1)所示[15，16]。式(1)的θi表示第一個(gè)1/4周期內(nèi)第i個(gè)電平階躍開始投入時(shí)的電角度，單位為弧度；s為第一個(gè)1/4周期內(nèi)的電平階躍數(shù)，通常等于n/2。

cos(hθ2)+…+cos(hθs)]sin(hωNt)

(1)

由式(1)可知，MMC輸出端口電壓只有奇次諧波，沒有偶次諧波。

使用反三角函數(shù)可以得到式(1)的各開關(guān)角的離線解析表達(dá)式，并代入式(1)，便可計(jì)算出MMC輸出端口基波電壓和各次諧波電壓的幅值。

2.2MMC交流側(cè)諧波電流計(jì)算

2.2.1 注入PCC點(diǎn)諧波電流允許值的確定

在進(jìn)行樣機(jī)濾波器設(shè)計(jì)之前，需要確定PCC點(diǎn)諧波電流畸變的允許值，該值將直接決定濾波系統(tǒng)的造價(jià)。由式(1)可知，注入PPC點(diǎn)的諧波電流將主要是奇次諧波。關(guān)于注入PCC點(diǎn)諧波電流允許值，國外和國內(nèi)均制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)條例。IEEE-IAS發(fā)布的IEEE-519和我國技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的電力系統(tǒng)獨(dú)立用戶奇次電流諧波注入PCC點(diǎn)的限制分別如表1和表2所示。

當(dāng)PCC點(diǎn)最小短路容量不同于表2的基準(zhǔn)短路容量時(shí)，可按式(2)修正表2的諧波電流允許值[17]。

(2)

式中，S1為PCC點(diǎn)的最小短路容量；Sb為基準(zhǔn)短路容量；Ihp為表2中第n次諧波電流允許值；In為短路容量S1時(shí)第n次諧波電流允許值。

表1 IEEE-519制定的PCC點(diǎn)諧波電流限制標(biāo)準(zhǔn)

表2 GB/T 14549-1993制定的PCC點(diǎn)諧波電流限制標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 第n次濾波支路流過的諧波電流計(jì)算

由圖3可以看出，MMC可等效為電壓源。將MMC看成一個(gè)有多種諧波的諧波電壓源，并且該諧波源的每次諧波與換流器諧波具有相同電壓Ucon(n)，Ucon(n)的幅值可由2.1小節(jié)計(jì)算求得。根據(jù)圖1的MMC-HVDC樣機(jī)系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和圖2的MMC等值電路，可得到計(jì)算MMC交流側(cè)諧波的等效電路圖，如圖5所示。

圖中，ZS(n)是系統(tǒng)的n次諧波阻抗；ZTR(n)是換流變壓器的諧波阻抗；ZL(n)為圖2所示的等效相電抗L的諧波阻抗；ZF(n)是濾波器的諧波阻抗。為了簡化計(jì)算，認(rèn)為諧波阻抗ZF(n)對第n次諧波而言趨近于0，因此，可近似得到諧波電壓源Ucon(n)經(jīng)過等效電抗后輸出的諧波電流Icon(n)為：

(3)

式(3)表明，從等效電抗L入口來看，MMC和等效電抗器整體可看作諧波電流源。根據(jù)式(3)、圖5以及表2確定的注入PCC點(diǎn)諧波電流IPCC(n)允許值，就能夠確定第n次濾波器支路流過的諧波電流IF(n)的大小。

圖5 MMC交流側(cè)諧波計(jì)算的等效電路

3 樣機(jī)濾波裝置參數(shù)計(jì)算方法

由于NLM是低開關(guān)頻率的多電平控制方式，因此MMC輸出電壓的低次諧波分量較大。由于雙調(diào)諧濾波器對失諧較為敏感，諧振作用低壓元件的暫態(tài)額定值可能較高；而單調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)簡單，對單一重要諧波的濾除能力強(qiáng)，損耗低，且維護(hù)要求低，本文設(shè)計(jì)單調(diào)諧濾波器來濾除MMC產(chǎn)生的低次諧波。

由于柔性直流輸電系統(tǒng)不需濾波器無功功率補(bǔ)償，其濾波器的無功補(bǔ)償容量應(yīng)盡可能的小，以免影響系統(tǒng)運(yùn)行性能。因此，MMC-HVDC樣機(jī)濾波電容器的安裝容量可按照最小容量來設(shè)計(jì)，第n次濾波電容最小安裝容量所對應(yīng)的電容值為[17]

(4)

式中，ω0為基波頻率；U(1)為換流變壓器閥側(cè)交流母線電壓的基波分量。

由于單調(diào)諧濾波器在第n次諧波頻率諧振，則有：

(5)

由式(5)可得電抗器值為：

(6)

濾波器電阻值為：

(7)

一般最佳的q值在30～60。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證前述MMC-HVDC樣機(jī)濾波裝置設(shè)計(jì)方法的正確性，采用仿真軟件PSCAD建立了圖1所示的低電平背靠背MMC-HVDC樣機(jī)的仿真模型。采用的調(diào)制策略為NLM；MMC單個(gè)橋臂子模塊數(shù)均為4個(gè)(不計(jì)冗余)；額定輸送容量為1.5MW；額定直流電壓為±25 kV；兩側(cè)交流系統(tǒng)對稱，電源電壓為10 kV，換流變壓器采用Yn/Δ接法，線電壓變比為10 kV/2.5 kV；系統(tǒng)阻抗L=1 mH，R=0.01 Ω，子模塊電容C=6000 μF；橋臂電抗取L=0.004 H。

4.1 樣機(jī)濾波器參數(shù)的求解

根據(jù)第2.1小節(jié)，計(jì)算MMC輸出端口處諧波電壓含量如圖6所示。

圖6 MMC輸出端口處諧波電壓含量

由圖6可以看出，3、5、7等低次諧波電壓含量比較大，高次諧波電壓含量很小，實(shí)際上，該測量點(diǎn)位于閥電抗器與子模塊連接處，由圖5可知，注入PCC點(diǎn)的諧波電流的幅值取決于PCC點(diǎn)諧波電壓、交流系統(tǒng)阻抗和換流器的諧波阻抗。經(jīng)仿真分析，PCC點(diǎn)3、5、7次諧波電流含量較大。

由于系統(tǒng)阻抗很小，短路比SCR達(dá)到212.16，因此可將系統(tǒng)電源近似為一個(gè)無窮大電源，PCC點(diǎn)諧波電壓很小，可以忽略不計(jì)。

本文采用3組單調(diào)諧濾波器來濾除3、5、7次諧波。三相濾波器有Y接法和Δ接法。Y接法時(shí)濾波器每相承受的電壓低，電流大，電抗器絕緣要求低，當(dāng)發(fā)生斷相故障時(shí)，對應(yīng)的線電流將為0；Δ接法時(shí)濾波器每相承受的電壓高，電流小，但電抗器絕緣要求較高，當(dāng)發(fā)生斷相故障時(shí)，對應(yīng)的線電流不為0。為降低濾波器的絕緣要求，本文濾波器采用Y接法。

式(7)的q值選取50，根據(jù)前述的濾波器設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出3、5、7次單調(diào)諧濾波器L、C參數(shù)如表3所示。

表3 MMC-HVDC樣機(jī)濾波器L、C參數(shù)

4.2 仿真分析

忽略高次諧波，設(shè)樣機(jī)系統(tǒng)注入PCC點(diǎn)電流最大次數(shù)為31，基波電流次數(shù)為1。換流變壓器閥側(cè)接和未接濾波裝置時(shí)，PCC點(diǎn)A相單次諧波電流畸變率、總諧波電流畸變率(THD)、三相電流波形分別對比如下：

圖7(a)、(b)1～31為電流的次數(shù)，為了具體看清楚諧波消除情況，以5次諧波為例，圖7(a)橫坐標(biāo)下面的[5]10.2208表示未接入濾波器時(shí)5次的諧波含量為10.2208%。圖7(b)可以看出，接入濾波器后，第5次諧波含量為3.1012%。由圖7可以得出結(jié)論：接濾波裝置后，PCC點(diǎn)單次諧波電流畸變率以及總諧波電流畸變率相對未接濾波裝置大大減少，均在表1所規(guī)定的PCC點(diǎn)諧波電流限值以內(nèi)，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的MMC-HVDC樣機(jī)濾波裝置方法的正確性。

接濾波裝置后的PCC點(diǎn)三相電流波形相對未接濾波裝置時(shí)的波形有所改善，但波形不是很光滑，仍存在一定的毛刺，這和總電流諧波畸變率較高有關(guān)。

(a) 未接濾波裝置的單次諧波電流

(b) 接濾波裝置的單次諧波電流

(e) 未接濾波裝置的三相電流

(f) 接濾波裝置的三相電流

總諧波電流畸變率較高的原因?yàn)椋孩僭跒V波器設(shè)計(jì)時(shí)，為了盡量的節(jié)省濾波器成本，設(shè)定流過PCC點(diǎn)的諧波電流為表2規(guī)定的諧波電流限值，從而使流過濾波器的諧波電流為最小；②式(7)的品質(zhì)因數(shù)q越大，濾波效果越好，但對頻率的偏移也更為敏感，為了克服這一缺點(diǎn)，在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，有意地降低了品質(zhì)因數(shù)的值。③樣機(jī)MMC子模塊數(shù)較少，從而導(dǎo)致很多低次諧波電流的含量較高。

進(jìn)一步改善波形質(zhì)量的方法：①改變換流器調(diào)制方式，如采用PWM調(diào)制方式；②增加樣機(jī)MMC子模塊數(shù)；③增大閥電抗器。

5 結(jié)論

(1)為了抑制低電平MMC-HVDC樣機(jī)對公共電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染，根據(jù)MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制策略，在換流變壓器閥側(cè)設(shè)計(jì)了與低電平MMC-HVDC樣機(jī)配套的濾波裝置，仿真結(jié)果表明在該濾波裝置作用下，注入PCC點(diǎn)的諧波電流含量能滿足現(xiàn)有電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條例要求。

(2)在研究MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，作出了MMC等值電路，并將MMC看成一個(gè)有多種諧波的諧波電壓源，從而設(shè)計(jì)出MMC交流側(cè)諧波計(jì)算的等效電路，據(jù)此，可結(jié)合電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條例規(guī)定的PCC點(diǎn)諧波電流的限值以及NLM策略下MMC出口處諧波電壓的表達(dá)式來求解流過濾波支路的諧波電流。

(3)從交流側(cè)整體來看，MMC是一個(gè)諧波電壓源，但是從等效電抗 入口來看，MMC和等效電抗器整體可看作諧波電流源。

(4)柔性直流輸電系統(tǒng)不需要濾波器無功功率補(bǔ)償，因此MMC-HVDC樣機(jī)濾波電容器的安裝容量可按照最小容量來設(shè)計(jì)。

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DesignofFilteringDeviceforLowLevelPrototypeofMMC-HVDC

WANG Wei-an1，2， GUI Wei-hua1

(1.College of Information Science and Engineering ,Central South University, Changsha 410083, China； 2.CSR Research Institute of Electricity Technology & Materials Engineering, Zhuzhou 412001, China)

In order to ensure the harmonic of common electric network injected by low level prototype of modular multilevel converter high voltage direct current (MMC-HVDC) could accord with existing electric power quality standard regulations, it is necessary to design filtering devices for the prototype. According to the topology structure of MMC, an equivalent circuit was deduced, and regarding MMC as one harmonic source containing multiform harmonics, the equivalent circuit which could calculate the harmonic at AC side of MMC was obtained. Based on above, and combined with modulation strategy of MMC-HVDC, the filters for the prototype were designed. Simulation results show the method to design the filtering devices is correct.

smart grid； power quality； high voltage direct current(HVDC)； modular multilevel converter(MMC)； modulation strategy； filtering device; low level

2011-07-26；

2011-09-02

TM721

A

1003-8930(2011)06-0135-06

王衛(wèi)安(1975-)，男，博士研究生，高級工程師，研究方向?yàn)橹C波抑制和無功補(bǔ)償、大功率電力電子應(yīng)用技術(shù)。Email:wangwa@teg.cn 桂衛(wèi)華(1950-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笙到y(tǒng)理論、最優(yōu)控制與應(yīng)用等。Email:gwh@mail.csu.edu.cn