基于直流供電的大功率高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM的換流鏈等效試驗(yàn)

張 揚(yáng)，李卿鵬，章順華

（1.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌330099；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司，南昌330077；3.許繼集團(tuán)有限公司，許昌461000）

基于直流供電的大功率高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM的換流鏈等效試驗(yàn)

張 揚(yáng)1，3，李卿鵬2，章順華1

（1.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌330099；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司，南昌330077；3.許繼集團(tuán)有限公司，許昌461000）

±100 Mvar以上的大功率高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM必須進(jìn)行換流鏈全功率試驗(yàn)，但是受制于大容量設(shè)備的要求，此類試驗(yàn)非常困難。傳統(tǒng)的全功率試驗(yàn)是采用2套高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置對(duì)拖，成本很高，對(duì)場(chǎng)地和接入電網(wǎng)的要求嚴(yán)苛。通過全直流供電的方式，采用充電電源和補(bǔ)能電源構(gòu)建了一種新型的試驗(yàn)平臺(tái)，可以有效降低對(duì)接入電網(wǎng)的要求。在第1條換流鏈上采用恒電壓控制，第2條換流鏈上采用恒電流控制。首先推導(dǎo)出傳遞函數(shù)，并根據(jù)Bode圖設(shè)計(jì)了控制器及其參數(shù)。通過Simulink仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的有效性，為解決高壓大容量鏈?zhǔn)絊TATCOM的全功率試驗(yàn)提供了一種新的方法。

大容量；鏈?zhǔn)礁邏篠TATCOM；全功率等效試驗(yàn)；直流供電

Abstract：Cascaded STATCOM of±100 Mvar or higher-capacity must be experimented under full-power,but subject to the requirements of large-capacity equipment,such a test is very difficult.The traditional equipment of full power test is two sets of high-voltage chain STATCOM device on the drag,the cost is high,and the requirements of the lab and electric grid.In this paper,through a full DC power supply,the use of charging power and energy supply to build a new type of test platform,can effectively reduce the access to the power grid requirements.Constant voltage control is applied in the first convert chain，and constant current control is applied in the second.The transfer function is deduced,and the controller and its parameters are designed according to the Bode diagram.The effectiveness of the scheme is verified by simulink simulation and field test.It provides a new method for solving the full power test of high voltage and high capacity chained STATCOM.

Keywords:large capacity；cascaded STATCOM；full power experiment；DC power supply

特高壓直流輸電系統(tǒng)需要大容量的無功補(bǔ)償設(shè)備，而高壓鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器STATCOM（static synchronous compensator）是目前最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，已經(jīng)在特高壓直流輸電工程中得到實(shí)際應(yīng)用[1]，如南方電網(wǎng)公司富寧換流站的±100 Mvar高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM[2]。大容量鏈?zhǔn)絊T-ATCOM不僅需要滿足無功補(bǔ)償?shù)幕拘枨?，還需要滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)、交直流保護(hù)配合等系統(tǒng)級(jí)控制需求，這對(duì)換流鏈的過電流能力、均壓能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等關(guān)鍵指標(biāo)的要求都很嚴(yán)苛[3]，因此換流鏈必須進(jìn)行滿功率試驗(yàn)，也即讓每個(gè)模塊都工作在額定功率下[4]。但是，大容量鏈?zhǔn)絊TATCOM每條換流鏈含有50～400個(gè)功率模塊，交流沖擊很大，滿功率試驗(yàn)條件難于滿足，因此需要進(jìn)行等效測(cè)試。此類測(cè)試若接入交流電網(wǎng)，容易產(chǎn)生劇烈沖擊，且電能消耗較大，因此限制了此類試驗(yàn)的開展。

換流鏈的滿功率試驗(yàn)需要滿足如下要求：①換流鏈中每一個(gè)鏈節(jié)的直流電容電壓必須達(dá)到額定值；②換流鏈中每一個(gè)鏈節(jié)都能夠達(dá)到額定電流運(yùn)行。③可以實(shí)現(xiàn)容性和感性兩個(gè)方向的無功功率試驗(yàn)。

目前的測(cè)試方法主要是采用另一套大容量高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行。但是這種試驗(yàn)方案存在著幾個(gè)難以避免的缺陷：①大容量高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM成本很高，需要數(shù)千萬元投入；②在大容量高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM并網(wǎng)過程中，暫態(tài)過程帶來的并網(wǎng)電流仍然會(huì)對(duì)交流電網(wǎng)構(gòu)成沖擊；③兩套鏈?zhǔn)絊TATCOM之間必須進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，一套需要能夠完全補(bǔ)償另一套發(fā)出的無功功率，否則該無功功率會(huì)直接影響到試驗(yàn)接入點(diǎn)的電網(wǎng)特性；④整條換流鏈鏈節(jié)數(shù)很多，一旦發(fā)生故障，很難快速定位。因此，國(guó)內(nèi)外只有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)具備全功率試驗(yàn)條件，這必然限制高壓大容量鏈?zhǔn)絊TATCOM的發(fā)展，換流鏈等效試驗(yàn)顯得尤為重要。

本文提出了一種新型的大容量高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM的換流鏈全功率等效試驗(yàn)方法。首先通過直流電源對(duì)換流鏈進(jìn)行充電，使其接近于直流電容額定電壓；然后斷開充電電源，在部分鏈節(jié)的直流側(cè)接入補(bǔ)能電源，該電源的容量?jī)H需要滿足在試驗(yàn)過程中換流鏈的損耗能量即可；最后通過恒電壓-恒電流控制策略，將一條換流鏈等效為逆變電源，另一條換流鏈等效為可控電流源，從而實(shí)現(xiàn)逆變電源側(cè)容性全功率運(yùn)行，換流鏈側(cè)感性全功率運(yùn)行達(dá)到換流鏈全功率等效試驗(yàn)的目的。

1 換流鏈等效試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)拓?fù)?/h3>

傳統(tǒng)的STATCOM換流鏈全功率等效試驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，兩條換流鏈相當(dāng)于2個(gè)單相STATCOM，在試驗(yàn)過程中，一條換流鏈產(chǎn)生感性無功電流，另一條換流鏈產(chǎn)生容性無功電流。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能在啟動(dòng)過程對(duì)交流電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，并且受到控制精度的限制，所產(chǎn)生的無功電流不可能完全抵消，這會(huì)造成功率因數(shù)下降等電能質(zhì)量問題。

圖1 傳統(tǒng)的STATCOM換流鏈全功率等效試驗(yàn)拓?fù)銯ig.1 Topology of full power test equivalent for traditional convert chain STATCOM

換流鏈等效試驗(yàn)平臺(tái)是由一1套高壓直流電源和2套低壓直流電源構(gòu)成。其中高壓直流電源由調(diào)壓器、高壓隔離變壓器和高壓整流橋構(gòu)成，低壓直流電壓由調(diào)壓器、低壓隔離變壓器和低壓整流橋構(gòu)成。高壓直流電源接入到兩條換流鏈的公共逆變側(cè)用于充電，兩個(gè)低壓電源分別接入到每條換流鏈一個(gè)鏈節(jié)的直流側(cè)用于補(bǔ)能，如圖2所示。

圖2 直流供電STATCOM換流鏈全功率等效試驗(yàn)拓?fù)銯ig.2 Topology of full power equivalent test for STATCOM convert chain with DC power supply

圖中，QS1、QS2、QS3為斷路器，TY1、TY2和TY3為可調(diào)變壓器，REC1、REC2和REC3為整流橋，L為兩條換流鏈之間的電感，vr1和vr2為兩條換流鏈的端電壓，ir為換流鏈之間的電流。該拓?fù)湎聸]有通過交流并入電網(wǎng)，因此不存在無功功率流入電網(wǎng)中，也即最終總的無功功率為0。

1.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用直流電源供電，兩條換流鏈逆變產(chǎn)生電壓，電壓差在電感上產(chǎn)生以無功電流為主的可控電流。

分析電感兩端的電壓，則有

可知，換流鏈之間的電流，實(shí)際上是取決于兩條換流鏈之間的電壓差和阻抗?？紤]到穩(wěn)態(tài)過程中每條換流鏈的直流電容電壓趨于額定電壓，即

式中：u11～u1N為第1條換流鏈的直流側(cè)電壓；u21～u2N為第2條換流鏈直流側(cè)電壓；udc為鏈節(jié)的直流電容額定電壓。

將第1條換流鏈等效為可控電壓源，則根據(jù)調(diào)制度的定義，容易得到

式中：m為調(diào)制度，其范圍為0～1；ω為電網(wǎng)的角頻率，50 Hz下為100 π；N為第1條換流鏈的鏈節(jié)數(shù)。因此，當(dāng)換流鏈的鏈節(jié)數(shù)一定時(shí)，可以通過調(diào)整占空比控制可控電壓源的輸出電壓vr1。

將第2條換流鏈等效為可控電流源。根據(jù)交流側(cè)和直流側(cè)功率守恒[6]，其功率滿足

式中，C為電容。因此，容易得到第2條換流鏈的有功功率和無功功率分別為

式中，cos φ為電壓和電流之間的功率因數(shù)。對(duì)于高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM的換流鏈，輸出的主要是無功功率，功率因數(shù)接近0，有功功率實(shí)際上很小，也即僅需要容量很小的補(bǔ)能電源即可滿足能量補(bǔ)償需求，因此采用TY2、TR2和REC2組成直流側(cè)補(bǔ)能電源。

由前述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，最終沒有無功功率流向交流電網(wǎng)。根據(jù)能量守恒，可得第1條換流鏈的有功功率和無功功率分別為

也即第1條換流鏈的無功功率與第2條換流鏈的無功功率大小相等，但極性相反，當(dāng)?shù)?條換流鏈輸出為感性電流時(shí)，第1條換流鏈輸出為容性電流，從而無功功率總量為0。同樣，第1條換流鏈的有功損耗也很小，因此對(duì)應(yīng)選擇TY1、TR1和REC1組成直流側(cè)補(bǔ)能電源。

在運(yùn)行過程中，首先斷開QS1和QS2，閉合QS3，利用直流為換流鏈充電，使其每個(gè)鏈節(jié)的直流側(cè)電容電壓接近額定值；然后斷開QS3，閉合QS1和QS2，將低壓直流接入一個(gè)鏈節(jié)的直流側(cè)進(jìn)行補(bǔ)能。

2 兩條換流鏈的控制算法設(shè)計(jì)

2.1 換流鏈1的恒電壓控制

兩條換流鏈中的第1條，也即換流鏈1，采用恒電壓控制方式，如圖3所示。

圖3 第1條換流鏈的恒電壓控制算法Fig.3 Constant voltage control loop of the 1st convert chain

電壓源控制方式中，指令為逆變側(cè)電壓和給定的逆變角速度，從而生成第1條換流鏈的調(diào)制波m1。

2.2 換流鏈2的恒電流控制

第2條換流鏈采用基于DQ解耦的恒電流控制，具體過程參見文獻(xiàn)[7]?？驁D如圖4所示。

圖4中，前饋項(xiàng)ed=vr1，前饋項(xiàng)eq=0。該電流控制主要是滿足直流側(cè)電壓穩(wěn)定，以及生成指令為的無功電流。通過恒電流控制，生成第2條換流鏈的調(diào)制波m2。

圖4 第2條換流鏈的恒電流控制算法Fig.4 Constant current control algorithm of the 2nd convert chain

2r/3s的公式為

恒電流控制算法的控制框圖如圖5所示。

圖5 恒電流控制算法的控制框圖Fig.5 Block diagram of Constant current control loop of the 2nd convert chain

由控制框圖可以得到，從電流給定到電流誤差的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

其中：

恒電流控制傳遞函數(shù)的Bode圖如圖6所示，由圖可以看到，選擇合適的PI參數(shù)，可以保證控制穩(wěn)定，且截止頻率為255 Hz，對(duì)應(yīng)延時(shí)為5 ms以內(nèi)。

圖6 恒電流控制傳遞函數(shù)的Bode圖Fig.6 Bode plot of current control loop

2.3 兩條換流鏈的均壓控制

由于每條換流鏈僅有一個(gè)鏈節(jié)進(jìn)行直流供電，剩余鏈節(jié)必須進(jìn)行均壓控制[8]。首先根據(jù)每個(gè)鏈節(jié)的電壓與平均電壓，計(jì)算出差值，根據(jù)差值通過PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出每個(gè)鏈節(jié)用于均壓的附加調(diào)制度Δmi（i=1,2），最終結(jié)合換流鏈的調(diào)制度m1或m2者，得到每個(gè)鏈節(jié)的調(diào)制度mi（i=1,2），如圖7所示。

圖7 均壓環(huán)的控制框圖Fig.7 Control block diagram of current control loop

3 仿真和試驗(yàn)

本文以高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM每條換流鏈400個(gè)模塊為例，如果要實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行，考慮過載能力，每個(gè)鏈節(jié)的額定電流設(shè)計(jì)為232 A，直流電壓設(shè)計(jì)為850 V，則單個(gè)模塊滿功率為0.2 MVA，6個(gè)模塊大約工作在1.2 MVA條件下。一次可以驗(yàn)證12個(gè)模塊，其中6個(gè)模塊工作在恒電壓模式下產(chǎn)生感性電流，另外6個(gè)模塊工作在恒電流模式下吸收感性電流。

3.1 仿真和試驗(yàn)條件

采用Simulink進(jìn)行仿真，仿真方式為固定步長(zhǎng)，參數(shù)如表1所示。

仿真波形如圖8所示。圖8（a）為兩條換流鏈級(jí)聯(lián)逆變電壓的波形，可以看出都呈現(xiàn)了階梯型的多電平特征；圖8（b）為額定電流下的電流波形，可以看出峰值為328 A，對(duì)應(yīng)額定電流232 A；圖8（c）為第1條換流鏈各個(gè)鏈節(jié)的直流電容電壓，在額定電流下，呈現(xiàn)出2倍頻波動(dòng)，其中補(bǔ)能鏈節(jié)電壓較高，其他鏈節(jié)電壓較低，其平均值接近850 V；圖8（d）為第2條換流鏈各個(gè)鏈節(jié)的直流電容電壓，在額定電流條件下，其電壓平均值接近850 V，且運(yùn)行穩(wěn)定。因此，所有的模塊都工作在額定電壓850 V和額定電流232 A下，實(shí)現(xiàn)了滿功率運(yùn)行。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation

圖8 仿真波形Fig.8 Waveforms of simulation

根據(jù)移相調(diào)制原理，每條換流鏈6個(gè)模塊的諧波大于每條換流鏈400個(gè)模塊的諧波。因此試驗(yàn)必須在更惡劣的環(huán)境才可以檢驗(yàn)鏈節(jié)的耐受能力，提高在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行可靠性。另外，比較傳統(tǒng)的交流供電拓?fù)?，由于調(diào)制算法相似，高頻諧波相近，2倍頻分量與基波有關(guān)，也沒有明顯差別，而由于采用了直流供電，這些諧波不會(huì)如傳統(tǒng)等效試驗(yàn)方法一樣對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

采用泰克示波器進(jìn)行錄波，試驗(yàn)波形如圖9所示。通道1和通道2為兩條換流鏈的逆變電壓，換流鏈1的逆變電壓略高于換流鏈2，與仿真波形一致。通道3為鏈節(jié)的直流電容電壓，實(shí)測(cè)為855 V，呈現(xiàn)2倍頻波動(dòng)，與仿真波形一致；通道4為換流鏈電流，峰值約為325 A，接近于額定電流有限值232 A。因此，理論與試驗(yàn)的波形基本一致，所有模塊都可以工作在額定電壓850 V和額定電流232 A下，由此，驗(yàn)證本文提出的直流供電硬件結(jié)構(gòu)與軟件算法都是切實(shí)可行的。

圖9 試驗(yàn)波形Fig.9 Wavefroms of test

在目前的仿真和試驗(yàn)條件下，換流鏈1作為電壓源產(chǎn)生感性無功（感性滿載），換流鏈2吸收感性無功（容性滿載）。假如換流鏈1采用恒電流模式，換流鏈2采用恒電壓模式，此時(shí)電流的方向就會(huì)發(fā)生改變，那么容性和感性就會(huì)發(fā)生改變，因此進(jìn)一步分析，本文所論述的方法可以同時(shí)證明容性和感性兩種運(yùn)行工況。

4 結(jié)語

大容量高壓鏈?zhǔn)絊TATCOM的換流鏈全功率試驗(yàn)很難進(jìn)行，因此需要一種等效試驗(yàn)方法。本文基于直流供電的硬件結(jié)合，并結(jié)合恒電壓-恒電流控制方法，設(shè)計(jì)兩條換流鏈分別工作在可控電壓源模式和可控電流源模式下。通過小容量直流補(bǔ)能電源補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)中的有功損耗，通過恒電壓-恒電流的控制算法，保證電流輸出的穩(wěn)定。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效實(shí)現(xiàn)換流鏈各個(gè)鏈節(jié)的額定電流下運(yùn)行，且每個(gè)模塊都可以工作在額定電壓下，因此可以實(shí)現(xiàn)額定功率運(yùn)行。因此，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了兩條換流鏈的全功率等效試驗(yàn)。

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Converter Chain Equivalent Experiment for STATCOM of Large Capacity Based on DC Power Supply

ZHANG Yang1,3，LI Qingpeng2，ZHANG Shunhua1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China; 2.State Grid Jiangxi Electric Power Company,Nanchang 330077,China; 3.Xuji Group Corporation,Ltd.,Xuchang 461000,China）

張揚(yáng)

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．5.94

TM56

A

2017-04-30；

2017-09-14

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2015AA050104）；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20171BA B216036）

Project Supported by National High Technology Research and Development Program（863 Program）of China（2015AA050104）; the Natural Science Foundation of Jiangxi Province（20171BAB 216036）

張揚(yáng)（1985-），男，博士，通信作者，工程師，研究方向：電力電子系統(tǒng)的建模與控制，微電網(wǎng)系統(tǒng)的建模與控制，E-mail：rxzhangyang@foxmail.com。

李卿鵬 （1981-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制，E-mail：lqp1981@126.com。

章順華（1972-），男，碩士，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制，E-mail：threehhu@136.com。