“柔性直流輸電”課程設計研究

李勇匯

摘要：為拓寬全日制電氣工程與自動化專業(yè)的學生的知識視野，強化課程的綜合能力，提高分析能力和動手能力，本文針對柔性直流輸電這個課程設計題目，給出了詳細的設計內容，設計步驟及指導事項。該課程設計項目對Matlab軟件使用的熟練程度要求較高，有一定的難度，比較適合團隊協作在1個月內完成。

關鍵詞：柔性直流輸電；課程設計；Matlab仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）07-0174-02

武漢大學全日制電氣工程與自動化專業(yè)學生在大學三年級下學期時已基本完成了“自控原理”，“電氣工程基礎”，“電力電子學”，“電力系統(tǒng)分析”，“Matlab編程設計”等專業(yè)主干課程，學生對電力系統(tǒng)的運行和控制已經形成了基本概念。為配合“電氣工程基礎”課程交直流混合輸電章節(jié)的授課內容，提出了“柔性直流輸電”這一課程設計題目。該題目旨在讓學生將先期學習的專業(yè)知識和專業(yè)技能銜接起來，夯實專業(yè)基礎，提高動手能力和團隊協作能力。本文以一個雙端柔性直流輸電系統(tǒng)的運行和控制的課程設計為典型案例，詳細給出了設計內容，設計步驟及指導事項。在教學中此案例已先期在“卓越工程師”班中得以實施。

一、課程設計背景

柔性高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）的交直流轉換部分多采用的是模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）。和傳統(tǒng)少電平HVDC系統(tǒng)相比，MMC-HVDC系統(tǒng)存在換流站交流側電壓諧波畸變小、有功和無功獨立控制、可快速故障恢復、傳輸功率所占空間小等諸多優(yōu)點。最近電平調制（nearest level modulation，NLM）是MMC-HVDC系統(tǒng)廣為采用的一種階梯波調制方法[1]。NLM方法開關頻率低于傳統(tǒng)的少電平HVDC系統(tǒng)，它由N個有相同額定電壓的橋臂子模塊（submodule，SM）串聯而成，在交流側可形成N+1個電平逼近正弦波。

基于NLM的MMC-HVDC系統(tǒng)在連接交直流系統(tǒng)傳輸功率的時候一方面需要對換流站層進行功率控制，另一方面還需要對換流閥層進行子模塊控制。此課程設計需要學生對先期學習的專業(yè)課程能全面掌握和綜合應用。

二、設計步驟及要求

第一，學生需復習“電氣工程基礎”課程交直流混合輸電部分的功率傳輸原理和交直流側各電氣量的基本關系。

第二，學生需復習“自控原理”中的基本控制方法，熟悉閉環(huán)控制參數的基本調節(jié)方法。

第三，學生需復習“電力電子技術”中全控型器件IGBT的觸發(fā)方法和輸出波形。

第四，學生需復習“Matlab編程設計”中的SIMULINK部分，通過軟件自帶算例熟悉HVDC系統(tǒng)的內外環(huán)解耦控制方法。

第五，查閱MMC-HVDC系統(tǒng)的有關資料，熟悉NLM的基本的原理，確定交直流側間電壓和電流的基本關系。

第六，查閱換流閥中SM導通和截止的基本控制原理，掌握各橋臂SM開關序列信號和換流器功率控制電壓信號間的時序邏輯關系。

第七，在Matlab/SIMULINK軟件環(huán)境中，搭建雙端MMC-HVDC系統(tǒng)，根據給定功率調節(jié)模型，觀察雙端交直流側各典型電氣量的波形。

第八，依據先期查閱的各種參考資料，明確雙端MMC-HVDC系統(tǒng)的基本工作原理、功率控制方法、仿真的具體實現方案、調試的仿真波形以及其他結論，分工協作、以團隊的形式撰寫課程設計報告。

三、設計原理

（一）柔性直流輸電仿真系統(tǒng)概述

課程設計可根據文獻[1]中給出的21電平雙端MMC-HVDC系統(tǒng)典型參數系統(tǒng)建立仿真模型。仿真工具為Matlab/SIMULINK。根據文獻[1]，柔性直流輸電系統(tǒng)主要包括交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、橋臂電路、觸發(fā)脈沖和控制電路五個部分。各部分的主要功能概述如下。

1.交流系統(tǒng)。雙側交流系統(tǒng)具有相同的結構和參數，它分別通過兩個換流變和換流閥相連。其中交流電源電壓等級一般高于MMC交流側電壓，其等值電感和系統(tǒng)短路容量相關。

2.直流系統(tǒng)。兩個MMC通過直流電纜連接。由于文獻[1]中MMC直流側沒有接地點，因此本課程設計中MMC-HVDC系統(tǒng)的拓撲結構為偽雙極系統(tǒng)。

3.橋臂電路。MMC換流閥中含有結構相同的三相、結構相同的6個橋臂。每個橋臂由20個串聯的SM和1個諧波抑制電感構成。為避免一個橋臂上出現太多的電力電子器件，可以將所有的串聯SM封裝到子系統(tǒng)中。其中，每個SM由兩個IGBT及其反并聯二極管和電容組成，其導通和截止受到觸發(fā)信號控制。

4.觸發(fā)脈沖。由跟蹤有功和無功參考值的控制電路產生。每一相上下兩個橋臂在任意時刻導通的SM數量為20。

5.控制電路。MMC-HVDC系統(tǒng)的典型控制電路含有換流站功率控制和換流閥SM控制兩個部分。

（二）原理實現

1.仿真系統(tǒng)模型搭建。課程設計的小組成員應嚴格按照文獻[1]中的雙端MMC-HVDC系統(tǒng)在Matlab/SIMULINK環(huán)境下搭建仿真模型。其中每個橋臂中的SM應選擇詳細的電力電子模型而非平均模型。這樣每個SM的電容電壓均能在每個時刻得以記錄，便于發(fā)現功率波動對電容電壓和直流側電壓的影響。

2.雙端功率控制策略。雙端MMC-HVDC系統(tǒng)一側工作于整流狀態(tài)，另一側工作于逆變狀態(tài)。整流側的控制方式應設定為恒定電壓和恒定有功模式。逆變側的控制方式應設定為恒定有功和恒定無功模式。根據傳輸的有功和無功功率可計算出每個換流站有功和無功控制器的參考值，這兩個參考值將送入控制模塊得以跟蹤。

3.換流站和換流閥控制流程?？刂颇K的搭建和調試是整個課程設計的難點。根據控制電路的組成，其基本的信號流程依次是PLL測量單元、有功和無功參考值形成單元、外環(huán)電壓控制單元、內環(huán)電流控制單元和觸發(fā)脈沖形成單元。PLL測量模塊測量換流變高壓側電壓的相角，經Park變換可計算出同側傳輸的有功和無功。該有功和無功測量信號分別送入有功和無功控制模塊。這兩個模塊中均含有1個PI控制器跟蹤給定的有功和無功參考值，分別輸出有功參考電壓和無功參考電流Iqref。將產生的有功參考電壓送入直流電壓控制模塊，根據MMC整流側或逆變側的參考值產生有功電流參考值Idref。此時，根據HVDC系統(tǒng)解耦原理，有功和無功電流參考信號Idref和Iqref將在電流控制模塊中和PLL測量模塊測量到的實時有功和無功電流信號比較，經過2個PI控制器產生輸出參考電壓Uref。而Uref送入觸發(fā)脈沖模塊，根據NLM的原理產生送入換流閥ABC三相6個橋臂上的觸發(fā)脈沖。這些脈沖反映了控制模塊對不同功率控制信號的實時跟蹤。其中，整流側直流母線的電壓和從系統(tǒng)吸收的有功維持在給定參考值；逆變側輸入交流系統(tǒng)的有功和無功亦維持在給定參考值。

四、調試和說明

在確認仿真模型搭建無誤后，輸入文獻[1]中給定的每個元件參數。此時，課程設計團隊需重點調試控制模塊中的4個PI控制器參數。值得說明的是，如果控制器參數設計合理，MMC-HVDC整流側的直流電壓將維持恒定，同時從交流側吸收的有功功率和給定值相同；MMC-HVDC逆變側的有功和無功和參考值一致。反之，仿真模型會失去穩(wěn)定。將仿真時間設定為2s，學生可以通過仿真示波器觀察雙端MMC-HVDC系統(tǒng)交直流側重要電氣量的波形。

當仿真波形穩(wěn)定后可以繼續(xù)仿真0.04s。此時，學生將仿真示波器接入串聯SM構成的任意一個子系統(tǒng)中，觀察該橋臂中每個SM的電容電壓Udo的波動范圍。若Udo允許波動的范圍是其額定電壓的10%以內，學生需觀察是否有越限電壓存在？思考可能越限的原因是什么？有什么可以限制電壓波動的方法？可以查閱相關文獻回答這些問題。

五、課程設計報告說明

課程設計報告可根據團隊人員的實際工作分開撰寫，最后統(tǒng)一合稿[2]。前言部分需結合前期學習的專業(yè)課程，圍繞雙端柔性直流輸電系統(tǒng)說明其技術的發(fā)展歷史、優(yōu)缺點，基本的電氣量穩(wěn)態(tài)關系和MMC具體的分層控制策略。結合前文的示意圖，在設計原理中詳細論述各部分的結構和功率調節(jié)方法，重點討論控制模塊中各模塊的相互關系和控制器的調試方法和具體的控制參數。在仿真結果中，記錄前文提出的重要波形，回答SM的電容電壓波動的相關問題，給出必要的分析結論。

參考文獻：

[1]徐政，柔性直流輸電[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2]孫冠群，陳衛(wèi)民.“步進電機驅動系統(tǒng)”課程設計研究[J].中國電力教育，2013，273（5）：55-56.