基于全橋型MMC的直流融冰控制方法研究

蔡斌軍， 李譚欣

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南工程學(xué)院 風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；4.深能南京控股有限公司，南京 223943)

基于全橋型MMC的直流融冰控制方法研究

蔡斌軍1，2，3， 李譚欣4

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南工程學(xué)院 風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；4.深能南京控股有限公司，南京 223943)

冰災(zāi)的頻繁發(fā)生使得直流融冰裝置已經(jīng)成為易覆冰地區(qū)電網(wǎng)中的常規(guī)設(shè)備.現(xiàn)有直流融冰裝置采用了晶閘管可控整流技術(shù)，在運行中均會消耗一定的無功、產(chǎn)生特征次諧波，對接入交流系統(tǒng)帶來一定影響.全橋型模塊化多電平換流器具有直流電壓、電流雙向運行能力，可滿足直流融冰對換流器運行工況的要求.將研究基于全橋型模塊化多電平換流器(全橋型MMC)的直流融冰裝置建模方法.對直流融冰裝置主回路拓?fù)洹?shù)，調(diào)制均壓、控制策略進(jìn)行全面研究，利用全橋型子模塊(FBSM)可輸出正、零、負(fù)模塊電壓的特點，研究如何實現(xiàn)輸出電流、電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)，以滿足不同類型、長度線路的融冰需求，并利用PSCAD搭建全橋型MMC和LCC型直流融冰裝置模型，對二者進(jìn)行對比分析，驗證了全橋型MMC直流融冰裝置的優(yōu)勢，仿真結(jié)果驗證了模型控制和方法的有效性.

直流融冰；全橋型MMC；電壓諧波；連續(xù)可調(diào)

在各種電力系統(tǒng)遭遇到的自然災(zāi)害中，冰雪災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一.與其他事故相比，冰雪災(zāi)害對電網(wǎng)造成的損失一般情況下更為嚴(yán)重，輕則冰閃，重則塔倒線斷，甚至電力網(wǎng)絡(luò)癱瘓[1-7].

目前為了提高電網(wǎng)抵御冰雪災(zāi)害能力對線路進(jìn)行除冰、融冰的方法和設(shè)備有多種.國內(nèi)外已經(jīng)提出的融冰方法一般分為四類：熱力融冰、機(jī)械除冰、自然被動除冰及其他方法[8].機(jī)械除冰不容易操縱，自然被動除冰效率很低，由于傳統(tǒng)方法均有不同程度的缺點，因此都無法對線路進(jìn)行高效的除冰、融冰.而熱力融冰的優(yōu)點是短時融冰、操作簡便、容易實施.熱力融冰是一種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿某夹g(shù)，一般是在導(dǎo)線中通入電流使導(dǎo)線發(fā)熱來達(dá)到融冰目的.可分為交流融冰和直流融冰[8].

LCC型直流融冰裝置通過外部隔離開關(guān)的簡單分合操作，可以實現(xiàn)無功補(bǔ)償和直流融冰模式的轉(zhuǎn)換，但是運行時產(chǎn)生諧波較大，響應(yīng)速度略慢，需要安裝較大容量的濾波器；LCC型直流融冰裝置SVC運行時電壓應(yīng)力、閥損耗都較大，而且直流融冰兼無功補(bǔ)償裝置絕大部分時間運行于無功補(bǔ)償模式，導(dǎo)致其綜合運行效益大大降低.這些特點大大限制了LCC型直流融冰裝置的應(yīng)用范圍[9-11].

基于全控H橋的電壓源型換流器采用模塊化多電平換流器(MMC)的每個子模塊由控制靈活度更高的H橋子模塊構(gòu)成，按照一定的控制和調(diào)制規(guī)律輸出正、零、負(fù)的模塊電壓，可以使得換流器直流側(cè)電壓能夠在額定值與零之間連續(xù)可調(diào)，可在一定范圍內(nèi)針對不同長短的線路進(jìn)行融冰，操作比較簡單.同時在換流器輸出較低直流電壓和直流電流時，也可以保證換流器交流側(cè)輸出電壓、電流的品質(zhì)，當(dāng)所串聯(lián)H橋子模塊數(shù)較高時，不會向所連接變電站交流母線饋入諧波.因此，基于H橋子模塊的模塊化多電平換流器具有直流電壓和直流電流雙向運行能力，可滿足直流融冰對換流器運行工況的要求[11].

如上所述，基于全橋型MMC的直流融冰裝置具有明顯的優(yōu)勢.基于全橋型MMC的直流融冰裝置具有如下特點：1)結(jié)構(gòu)簡單，無需專用連接變壓器或移相變壓器，可實現(xiàn)交流側(cè)的多電平輸出，無諧波問題，無需加裝濾波器.2)輸出電流、電壓能寬范圍連續(xù)可調(diào)[12],滿足不同類型導(dǎo)線和不同線路長度的融冰需要.3)占地小、重量輕、操作簡便、維護(hù)量少、經(jīng)濟(jì)性好、運行效率高.4)可兼顧變電站動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用需求，以提高設(shè)備利用率，動態(tài)無功補(bǔ)償模式與融冰模式轉(zhuǎn)換操作便捷.本文主要研究MMC型直流融冰裝置運行于直流融冰狀態(tài)時的特性.

隨著電壓型換流器可靠性的逐步提高，價格的逐步下降，基于H橋電壓源型換流器的直流融冰裝置既可用于新建直流融冰工程，也可用于已建直流融冰工程中直流融冰裝置的升級改造，對于直流融冰技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步具有十分重要的價值，具有很好的應(yīng)用前景.

1 全橋型MMC直流融冰裝置

1.1 直流融冰裝置拓?fù)?/p>

全橋型MMC融冰裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其左側(cè)接交流系統(tǒng)，右側(cè)接待融冰線路，從拓?fù)鋱D可以看出融冰裝置是一個單端MMC，交流通過全橋型MMC融冰裝置轉(zhuǎn)化為直流進(jìn)而產(chǎn)生焦耳熱來加熱覆冰線路以此達(dá)到融冰目的[13].它包括三個相單元，每個相單元包含上、下橋臂.每個橋臂由N個相同的子模塊(本文中子模塊采用FBSM，F(xiàn)BSM結(jié)構(gòu)如圖1所示)串聯(lián)組成[12, 14-16].FBSM是由4個IGBT(T1、T2、T3、T4)，以及4個反并聯(lián)二極管(D1、D2、D3、D4)組成.根據(jù)IGBT及二極管的導(dǎo)通條件可得FBSM的工作狀態(tài)如表1所示.

FBSM與雙箝位型子模塊(CDSM)和半橋型子模塊(HBSM)本質(zhì)的區(qū)別在于它可以在兩種橋臂電流方向下輸出負(fù)的電容電壓，這大大增強(qiáng)了其控制靈活度，F(xiàn)BSM可以交替地輸出VC、0和-VC三種電壓[12,17].

同時，結(jié)合FBSM中IGBT的開關(guān)狀態(tài)可知，無論工作在何種模式下，F(xiàn)BSM在輸出零電壓時對應(yīng)兩組開關(guān)組合，因此在其交替地輸出0時，T1&T2和T3&T4應(yīng)交替輪換導(dǎo)通，以使得子模塊中4個IGBT的損耗盡可能平均分布，便于散熱系統(tǒng)的設(shè)計[18].

1.2 濾波器參數(shù)計算

當(dāng)在橋臂上加入環(huán)流抑制器時，如圖1所示閥電抗Ls和濾波電抗Lf共同構(gòu)成了橋臂電抗，與濾波電抗并聯(lián)的是濾波電容Cf，因為環(huán)流從諧波成分上分析主要表現(xiàn)為二次諧波分量[19-20]，所以環(huán)流抑制器的設(shè)計主要是為了濾除二次諧波，環(huán)流抑制器的電路圖如圖1所示.

圖1 全橋型MMC融冰裝置簡要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 FBSM的工作狀態(tài)

濾波器的參數(shù)Ls，Lf，Cf的關(guān)系如公式(1)和公式(2)所示.

Cf=1/((2ω0)2(2Lf))

其中LTOT是常數(shù)，大小為0.0031 H，p表示Lf占LTOT的比例.

由公式(1)和公式(2)得

Ls=(1-p)LTOT

Lf=pLTOT

Cf=1/(8ω02pLTOT)

表2展示了不同p時的交流電壓的THD，本論文選取p=0.25來配置濾波器中的LC，此時Ls=0.002325 H，Lf=0.000775 H.由于橋臂中二次濾波器的存在[20]，可以在不附加額外控制策略下，通過橋臂濾波器實現(xiàn)很好的環(huán)流抑制效果.

表2 環(huán)流抑制器L-C配置表

1.3 全橋型MMC工作原理

全橋型MMC相比于半橋型MMC，每個子模塊由控制靈活度更高的FBSM構(gòu)成，同時全橋型MMC特殊的運行機(jī)制可以保證換流器在輸出較低的直流電壓時其交流側(cè)輸出電壓、電流仍然具備較高的品質(zhì)，也即其輸出電壓調(diào)制比和直流電壓利用率可以遠(yuǎn)大于1，這是與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)的半橋型MMC具有本質(zhì)的區(qū)別.

為了對全橋型MMC的工作原理有一個直觀的了解，按照圖1原理搭建模型，首先考察了一個簡單的5電平全橋型MMC[21-22].每個相單元由8個子模塊構(gòu)成，上下橋臂分別有4個子模塊，每個子模塊額定電壓為1 kV，額定運行時Udc為4 kV，upa和una分別代表上下橋臂電壓.MMC在運行時，首先需要滿足如下兩個條件：

(1)在直流側(cè)維持直流電壓的穩(wěn)定[22]，即

upa+una=Udc

(2)在交流側(cè)輸出三相交流電壓.通過對三個相單元上、下橋臂投入的子模塊個數(shù)以及上下橋臂輸出電壓正負(fù)的調(diào)節(jié)，即通過調(diào)節(jié)upa和una的大小和正負(fù)，達(dá)到交流側(cè)輸出電壓uva為正弦波的目的.

uva=(una-upa)/2

圖2為三相MMC工作原理圖，由圖2得，uva對應(yīng)8個不同時間段，如表3所示.

圖2 額定運行時5電平MMC工作原理

表3 uva8個不同時間段所對應(yīng)的上下橋臂投入模式

由圖2和表3可以清楚地看到，輸出電壓uva總共有5個不同的電壓值，分別為-Udc/2、-Udc/4、0、Udc/4、Udc/2，即有5個不同的電平.當(dāng)直流電壓下降至2 kV運行，分析其運行原理，如圖3所示.

圖3中的uva共對應(yīng)12個不同時間段，由于FBSM具有輸出-VC電壓的能力，使得上下橋臂輸出電壓的最低值均為-Udc/2，此時交流側(cè)輸出電壓變?yōu)?電平，而且幅值由額定運行時的Udc/2變?yōu)榱?Udc/4.所以，隨著直流電壓的下降，交流電壓幅值越高，電平數(shù)越高，波形越好.

圖3 直流電壓為2 kV時的MMC工作原理

2 全橋型MMC直流融冰裝置的控制方法

2.1 基本控制方式

2.1.1 全橋型MMC控制器設(shè)計

換流站的主電路由三相MMC組成，三相MMC系統(tǒng)在dq同步坐標(biāo)系下可分解成2個互相耦合的子系統(tǒng)[23]，通過控制同步坐標(biāo)d、q軸的電流id、iq來控制有功功率P和無功功率Q.MMC的控制從結(jié)構(gòu)上可分為內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制，內(nèi)環(huán)控制解決電流的快速跟蹤控制問題，外環(huán)控制用于確定id、iq參考值的大小.

由于d、q軸變量互相耦合，因此電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制策略[24-25].控制器設(shè)計為PI調(diào)節(jié)器.MMC外環(huán)控制器一般采用直流電壓或有功功率控制器.本文中的控制器采用無功功率控制器和直流電壓控制器.

MMC的控制器如圖4所示，包括內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制.當(dāng)直流電壓逐漸降低時，F(xiàn)BSM中投入負(fù)電平的子模塊數(shù)目增多，而且由公式(7)可知，直流電壓越低，單個橋臂所能達(dá)到的直流電壓最大值與最小值(最小值為負(fù))的差值就越大，交流電壓峰值越高，調(diào)制比的值也會越來越大，最后會遠(yuǎn)大于1，此時傳統(tǒng)調(diào)制m上限值為1的定義已經(jīng)不再適用，因此為了適應(yīng)全橋型MMC能夠輸出負(fù)電平的能力，在本文中定義新的調(diào)制比m，其最大值遠(yuǎn)大于1，具體定義為：

其中N為每個半橋臂中的子模塊數(shù)目，N0為子模塊等效導(dǎo)通數(shù)目，N0由公式(10)計算得到.

其中uPEAK為交流相電壓峰值.

圖4 MMC控制器結(jié)構(gòu)

2.1.2 全橋型MMC調(diào)制及均壓算法

本文采用最近電平逼近控制(NLM)，圖5是NLM的流程圖，調(diào)制模塊通過對橋臂調(diào)制波umref與橋臂內(nèi)全部子模塊電容電壓平均值VCAV的比值取整，計算任意時刻MMC橋臂中所需導(dǎo)通的子模塊數(shù)目N(t)[26].此處，觸發(fā)后續(xù)的電容電壓排序模塊有兩種方式[27]，一是實時控制觸發(fā)，即在N(t)變化的時候觸發(fā)；二是等間隔觸發(fā)，即不論N(t)是否變化，按照很高的固定頻率觸發(fā).本文搭建的全部模型均基于方式一所述的實時觸發(fā).

圖5 NLC流程圖

2.2 實現(xiàn)直流電壓連續(xù)可調(diào)的方法研究

2.2.1 直流電壓連續(xù)可調(diào)策略研究

在一定的環(huán)境條件下，直流融冰所需要的電源容量只取決于融冰線路的直流電阻和導(dǎo)線長度[28]，因此為了使所設(shè)計直流融冰裝置更具工程實際意義，裝置必須能夠?qū)崿F(xiàn)輸出直流電壓連續(xù)可調(diào)，即能夠降壓運行，以適應(yīng)不同電壓等級融冰線路的融冰.

而且又因為每個FBSM輸出電壓可以在正、零、負(fù)的子模塊電容電壓之間靈活切換，因此可以通過一定的控制和調(diào)制規(guī)律，通過不斷調(diào)節(jié)每個橋臂投入的子模塊數(shù)目，進(jìn)而使得換流器直流側(cè)電壓可以在額定值與零之間連續(xù)大范圍可調(diào).

2.2.2 導(dǎo)通的子模塊個數(shù)的選擇

當(dāng)調(diào)節(jié)直流電壓，首先根據(jù)直流電壓選擇子模塊等效導(dǎo)通個數(shù)，利用ceiling(向上取整)函數(shù)(為了避免單個子模塊電壓高于本文中所采用的子模塊額定運行時的1 kV)選擇子模塊個數(shù).公式(10)至公式(12)為在直流電壓變化時如何選擇子模塊等效導(dǎo)通的數(shù)目.

N0=ceiling(Udc/Uc0)

Uc1=Udc/N0

N0=Npos+Nneg

其中，N0表示子模塊等效導(dǎo)通數(shù)目，Npos表示上橋臂導(dǎo)通的子模塊數(shù)，Nneg表示下橋臂導(dǎo)通的子模塊數(shù)，Udc表示直流電壓，Uc0表示額定運行時子模塊電容電壓，Uc1表示實際運行時子模塊電容電壓.

特別說明一下，由于本論文采用的是FBSM，所以上橋臂或下橋臂可能輸出負(fù)電壓，所以Npos或Nneg可能為負(fù)，例如上橋臂輸出-5Uc1電壓，下橋臂輸出10Uc1電壓，此時Npos就為-5，Nneg就為10，N0就為5.

由公式(10)至公式(12)得，當(dāng)直流電壓Udc從12 kV均勻變化到0 kV時，N0取值的變化規(guī)律如圖6所示.

圖6 N0隨Udc變化的規(guī)律

由公式(10)和圖6可知，每當(dāng)直流電壓下降到一個整數(shù)時，N0則減小1，從而得到一個階梯波變化的子模塊等效導(dǎo)通數(shù)目的計算值.

2.2.3 子模塊電容電壓變化規(guī)律

因為在直流電壓變化時，首先通過選擇N0的值，所以可以確保子模塊電容電壓值不會超過本文中的額定電壓，也即1 kV.由公式(10)至公式(11)可知，Uc1永遠(yuǎn)小于Uc0，理想情況下直流電壓變化時的子模塊電容電壓Uc1的變化規(guī)律如圖7所示(其中Udc的變化規(guī)律與圖6相同).

從圖7中可以看出，隨著直流電壓的升高，通過公式(10)的計算可得，投入的子模塊數(shù)目的增多，此時，每當(dāng)數(shù)目變化時產(chǎn)生的子模塊電壓的波動會均勻分?jǐn)偟礁嗟淖幽K中，所以子模塊電容電壓波動會越來越小，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)目時可以認(rèn)為基本穩(wěn)定在了1 kV附近.

圖7 子模塊電容電壓Uc1的變化規(guī)律

3 仿真驗證

為了驗證所建立的全橋型MMC直流融冰模型和所設(shè)計控制策略的正確性，并進(jìn)一步分析系統(tǒng)特性，在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下搭建了如圖1所示的全橋型MMC直流融冰模型；并且搭建相應(yīng)的LCC型直流融冰裝置與全橋型MMC直流融冰裝置進(jìn)行比較，LCC型直流融冰裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖8 LCC型融冰裝置簡要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 直流融冰裝置參數(shù)

全橋型MMC直流融冰裝置的參數(shù)如表4所示.

表4 直流融冰裝置參數(shù)

搭建的模型額定運行時，變壓器一次側(cè)為220 kV，二次側(cè)為10.5 kV，子模塊電容電壓為1 kV，待融冰線路等效為12 Ω電阻，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真研究.每個相單元由30個子模塊構(gòu)成，上下橋臂分別有15個子模塊.額定運行時的直流電壓為12 kV，即N0為12.LCC型直流融冰裝置的交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)參數(shù)與全橋型MMC直流融冰裝置參數(shù)一致.

3.2 全橋型MMC橋臂環(huán)流抑制效果

圖9 橋臂環(huán)流抑制效果圖 (a)橋臂環(huán)流

圖9、圖10分別是在4 s投入環(huán)流抑制前后的橋臂環(huán)流、直流電壓、無功功率、子模塊電容電壓波形圖.

從圖9(a)可以看出，當(dāng)4 s時投入環(huán)流抑制后，橋臂環(huán)流幅值明顯減小，證明了本文所采用的環(huán)流抑制器的可行性，而且不需要附加額外的環(huán)流抑制策略；而且此時直流電壓和無功功率依然保持穩(wěn)定的波形，幾乎不受影響(如圖9(b)、圖9(c)所示).

圖10 子模塊電容電壓

圖10是子模塊電容電壓，當(dāng)投入環(huán)流抑制時，可以看到子模塊波動幅值變小，而且子模塊電容電壓中的二次諧波分量造成的畸變也減小了.

3.3 仿真模型的驗證

3.3.1 LCC型直流融冰裝置

LCC型直流融冰裝置模型采用定直流電流控制，仿真過程中，1～2 s時，直流電流參考值為1 kA；2～10 s時，直流電流參考值由1 kA降至0.0417 kA，圖11(a)～圖11(d)分別是直流電壓、觸發(fā)角、有功功率和無功功率的波形圖.

圖11 LCC型直流融冰裝置仿真波形圖

圖11(a)表示直流電壓波形，由圖可知，當(dāng)直流電壓(直流電流)的平均值小于某一定值時，直流電壓(直流電流)波形會出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，這種電流斷續(xù)將會在換流變壓器、平波電抗器上產(chǎn)生很高的過電壓，在工程中是不被允許的，因此，LCC型直流融冰裝置的直流電壓變化范圍需要不斷加大平波電抗器電感值來使其增大，變化范圍有限.

圖11(b)表示在直流電流下降過程中，觸發(fā)角α的變化，α有正常運行時的20°一直上升至100°左右，在工程中已經(jīng)不被允許了，而且隨著α的不斷增大，系統(tǒng)功率因數(shù)會降低，損耗會增大.

圖11(c)和圖11(d)表示有功功率和無功功率的變化規(guī)律，當(dāng)有功類量(直流電流)變化時，無功功率也會變化，而且隨著有功功率的減小，換流器注入系統(tǒng)的無功功率會呈現(xiàn)增加的趨勢.

3.3.2 全橋型MMC直流融冰裝置

上述仿真分析可得，LCC型直流融冰裝置的直流電壓連續(xù)寬范圍調(diào)節(jié)能力有限，不能獨立控制有功類量和無功類量，而且需要大量無功補(bǔ)償裝置，因此，本部分對全橋型MMC直流融冰裝置進(jìn)行分析研究，與LCC型直流融冰裝置進(jìn)行對比.

仿真過程中1～2 s時，直流電壓參考值為12 kV；2～10 s時，直流電壓參考值由12 kV降至0.5 kV，仿真時間為11 s，仿真步長為20 μs. 圖12到圖15分別是直流電壓、子模塊電容電壓、無功功率、交流電壓、交流電流和交流電壓的THD.

圖12 MMC型直流融冰裝置仿真波形圖

從圖12(a)可以看出：當(dāng)直流電壓參考值連續(xù)大幅度下降時，本模型很好地驗證了直流電壓能夠?qū)挿秶{(diào)節(jié)；圖中當(dāng)直流電壓變化到額定子模塊電容電壓整數(shù)倍時，會有一個子模塊數(shù)目的變化，因此會產(chǎn)生一個短時的直流電壓波動，但是如果子模塊數(shù)量達(dá)到一定程度后，這個波動則可以忽略不計.從而驗證了本文直流電壓能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)的策略的正確性.圖12(b)為子模塊電容電壓測量值，與圖7子模塊電容電壓理論值相比較，可以看出子模塊電容電壓在直流電壓參考值下降過程中，子模塊的最大值為1 kV，而且直流電壓越大，子模塊電容電壓波動幅度越來越小，符合預(yù)期的變化規(guī)律.圖12(c)表示在直流電壓下降過程中，無功功率幾乎不受影響，可與圖11(d)進(jìn)行比較，說明在有功類量變化時，全橋型MMC直流融冰裝置能夠保持無功類量的穩(wěn)定，能夠很好的實現(xiàn)和應(yīng)用有功與無功的解耦控制.

圖13 交流電壓

圖14 交流電流

圖15 交流電壓THD

圖13和圖14表示直流電壓下降過程中的交流電壓和交流電流，從圖中可以看出波形很好，符合要求.從圖15可得在直流電壓下降過程中，交流電壓的THD低于2%，本文搭建模型每個半橋臂包含15個FBSM，交流電壓的THD已經(jīng)低于2%.如果FBSM的數(shù)目繼續(xù)增加，則交流側(cè)波形會越來越好，因此全橋型MMC直流融冰裝置正常運行時無需加裝濾波器.

接下來通過模型驗證全橋型MMC如何實現(xiàn)調(diào)制比遠(yuǎn)大于1.因為額定運行時，直流電壓為12 kV，而每個半橋臂有15個FBSM，每個FBSM額定電壓為1 kV.因此，根據(jù)上面理論分析：額定運行時，N0等于12，則上下橋臂的電壓最低值為-3Uc0，也即-3 kV；最高值為15Uc0，也即15 kV，仿真波形如圖16和圖17所示.

圖16 額定運行時上、下橋臂電壓圖

圖17 額定運行時交流側(cè)輸出電壓

從圖16和圖17可以看出，在模型額定運行狀態(tài)下，上下橋臂的電壓最大值和最小值分別為15Uc0和-3Uc0，也即15 kV和-3 kV.而且交流側(cè)的電壓波形為19電平，按照本文對調(diào)制比的定義，此時的調(diào)制比為1.5.要遠(yuǎn)優(yōu)于半橋運行時的交流側(cè)的波形，這一特點在直流電壓很低時尤為突出.

在仿真驗證中，將直流電壓由12 kV降低至10 kV進(jìn)行測試，得到的仿真波形如圖18和圖19所示.

圖18 降壓運行時上、下橋臂電壓

圖19 降壓運行時交流側(cè)輸出電壓

從圖18和圖19可以看出，在直流電壓下降時，交流側(cè)電壓波形質(zhì)量并沒有像半橋型MMC那樣下降，從而證明了上述全橋型MMC的優(yōu)點，能夠在直流電壓較低時保證交流側(cè)的波形，而且直流電壓越低，交流電壓電平數(shù)越高，波形越好.

4 結(jié) 論

基于全橋型MMC的直流融冰裝置相比傳統(tǒng)直流融冰裝置具有其獨特的技術(shù)優(yōu)勢.本文提出了全橋型MMC應(yīng)用于直流融冰裝置時的基本控制和調(diào)制算法，以實現(xiàn)直流電壓連續(xù)寬范圍調(diào)節(jié)，得到如下結(jié)論：

(1)全橋型MMC直流融冰裝置最高可以輸出2N+1電平，使得裝置在正常運行時的THD非常低，無需加裝濾波裝置，這使得該直流融冰裝置更具實用價值.

(2)直流側(cè)輸出電壓能夠?qū)挿秶B續(xù)調(diào)節(jié).利用高靈活性的FBSM，通過一定的調(diào)制規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓在額定值與零之間連續(xù)調(diào)節(jié).而且，直流電壓越低，交流電壓的波形質(zhì)量越好.

(3)全橋型MMC直流融冰裝置可獨立控制有功功率和無功功率，因此本裝置無需進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變即可作為無功補(bǔ)償裝置運行，可以提高裝置的經(jīng)濟(jì)性.

仿真結(jié)果很好地驗證了所提出方法和模型的正確性.基于全橋型MMC的直流融冰裝置具有很好的應(yīng)用前景和工程實用價值.

[1] 王 超．輸電線路直流融冰技術(shù)研究[D]．北京：華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文，2011．

[2] Fan S，Jiang X，Shu L，et al．DC Ice-Melting Model for Elliptic Glaze Iced Conductor[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(4)：2697-2704．

[3] Jiang X，F(xiàn)an S，Zhang Z，et al．Simulation and Experimental Investigation of DC ice-Melting Process on an Iced Conductor[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25(2)：919-929．

[4] 申屠剛．電力系統(tǒng)輸電線路抗冰除冰技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J]．機(jī)電工程，2008，9(7)：72-75．

[5] 吳元華．輸電線路覆冰的潛在危害及對策研究[J]．江蘇電機(jī)工程，2008，1(16)：18-21．

[6] 劉有飛，蔡 斌，吳素農(nóng)．電網(wǎng)冰災(zāi)事故應(yīng)急處理及反思[J]．電力系統(tǒng)自動化，2008，9(8)：10-13．

[7] 傅 闖，許樹楷，饒 宏，等．交流輸電系統(tǒng)直流融冰裝置設(shè)計及其應(yīng)用[J]．高電壓技術(shù)，2013，7(3)：705-711．

[8] 趙國帥，李興源，傅 闖，等．線路交直流融冰技術(shù)綜述[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，17(14)：148-154．

[9] 申屠剛，程極盛，江道灼，等．500 kV直流融冰兼動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)研發(fā)與工程試點[J]．電力系統(tǒng)自動化，2009，11(23)：75-80．

[10]薛英林，徐 政，傅 闖，等．500 kV固定式直流融冰裝置的靜止無功補(bǔ)償器重構(gòu)方案[J]．高電壓技術(shù)，2011，12：3135-3142．

[11]梅紅明，劉建政．新型模塊化多電平直流融冰裝置[J]．電力系統(tǒng)自動化，2013，37(16)：96-102．

[12]Zhao Chengyong，Xu Jianzhong，Li Tan．DC Faults Ride-through Capability Analysis of Full-bridge MMC-MTDC System[J]．Science China Technological Sciences，2013，56(1)：253-261.

[13]范松海．輸電線路短路電流融冰過程與模型研究[D]．重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010．

[14]韋延方，衛(wèi)志農(nóng)，孫國強(qiáng)，等．一種新型的高壓直流輸電技術(shù)——MMC-HVDC[J]．電力自動化設(shè)備，2012，21(7)：1-9．

[15]Lesnicar A，Marquardt R．An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range，the colloquium[C]．Power Tech Conference Proceedings，2003，6．

[16]王姍姍，周孝信，湯廣福，等．模塊化多電平電壓源換流器的數(shù)學(xué)模型[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，24： 1-8．

[17]許 烽，徐 政，鄭 歡，等．一種基于模塊化多電平換流器的三極直流輸電系統(tǒng)[J]．電力系統(tǒng)自動化，2014，18(2)：70-78．

[18]屠卿瑞，徐 政，鄭 翔，等．模塊化多電平換流器型直流輸電內(nèi)部環(huán)流機(jī)理分析[J]．高電壓技術(shù)，2012，9(2)：547-552．

[19]張建坡，趙成勇，孫一瑩，等．基于電壓源換流器型直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制策略[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，17(6)：1732-1738．

[20]Gemmell B，Dorn J，Retzmann D，et al．Prospects of multilevel VSC technologies for power transmission [C]．IEEE T&D Conference and Exposition，Chicago，USA，2008．

[21]敬華兵，年曉紅，羅文廣．一種兼具融冰功能的柔性直流輸電換流站的研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，19：65-73．

[22]徐 政．柔性直流輸電系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2012：30-32．

[23]管敏淵．基于模塊化多電平換流器的直流輸電系統(tǒng)控制策略研究[D]．浙江大學(xué)，2013．

[24]羅文廣，張志學(xué)．背靠背四象限變流器控制方法的研究[J]．大功率變流技術(shù)，2009,3(6)：14-17．

[25]王立喬，齊 飛．級聯(lián)型多電平變流器新型載波相移SPWM研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，21(3)：28-34．

[26]Gnanarathna Udana N，Gole Aniruddha M，Jayasinghe Rohitha P．Efficient Modeling of Modular Multilevel HVDC Converters(MMC) on Electromagnetic Transient Simulation Programs[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(1)：316-324．

[27]管敏淵，徐 政，屠卿瑞，等．模塊化多電平換流器型直流輸電的調(diào)制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012，6(2)：48-52．

[28]饒 宏，李立浧，黎小林，等．南方電網(wǎng)直流融冰技術(shù)研究[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，17(2)：7-12．

Control of Full-bridge Modular Multilevel Converter for Dc Ice-Melting Application

CAI Bin-jun1,2,3, LI Tan-xin4

(1. College of Elect. and Information, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. Hunan Institute of Engineering， CPC, Xiangtan 411104, China;3. Hunan Institute of Engineering， Hunan Provinicul Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Xiangtan 411104, China;4. Shenzhen Energy Group Limited Loy Share Ltd, Nanjing 223943, China)

Due to the high frequency of the ice disasters, Dc ice-melting device has become common equipment in the easy icing areas. The previous thyristor rectifier based on Dc ice-melting device consumes too much reactive power and outputs characteristic harmonics, which further affected the system stability when connected to Ac system. Full-bridge modular multilevel converter (FBMMC) has the ability of outputting bidirectional Dc-link voltages and Dc currents. This paper focuses on the control and valve based on modulation algorithms of FBMMC for Dc ice-melting applications. This paper firstly takes the advantage of the full-bridge sub-module (FBSM) which can output positive, zero and negative capacitor voltages, trying to make FBMMC output widely ranged and continuous-tuning Dc voltages and currents to de-ice the Ac conductors of different varieties and length. At the same time, the Ac-side voltages of FBMMC remain regulated and almost sinusoidal even when the Dc voltage is quite small. Finally electromagnetic transient model of the FBMMC and LCC based on Dc ice-melting device is simulated on PSCAD/EMTDC. The results have been compared and the effectiveness of the proposed control and modelling methods have been proved.

dcice-melting; full-bridge modular multilevel converter (FBMMC); voltage harmonic; continuously adjustable

2016-07-12

湖南省教育廳科研重點項目(16A048)；湖南工程學(xué)院人才工程項目(16RC006).

蔡斌軍(1976-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：交流傳動控制及多電機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制.

TM731

A

1671-119X(2017)01-0001-09