模塊化多電平換流器型直流輸電

顧曉飛 楊勇圣

【摘要】電網規(guī)模不斷擴大，清潔能源的開發(fā)利用越來越受到關注，智能電網讓太陽能、風能等新能源并入電網并能對其介入過程自行控制，對清潔能源的投入并網和補償機制的研究勢在必行。本文結合南匯風電場柔性直流輸電工程，簡單分析柔性直流輸電的控制原理及基礎理論。

【關鍵詞】柔性直流 控制方式 換流閥

1引言

上海南匯柔性直流輸電技術示范工程是國內首例柔性直流輸電工程，將上海南匯風電場發(fā)出的風電能源并入上海電網之內。

柔性直流輸電技術通過對兩端電壓源換流器的有效控制可以實現(xiàn)兩個交流有源網絡之間有功的相互傳送，在有功傳送的同時，各端電壓源換流器還可以調節(jié)各自所吸收或發(fā)出的無功，對所聯(lián)兩端交流系統(tǒng)予以無功支持，是一種具有快速調節(jié)能力、多控制變量的新型直流輸電系統(tǒng)。

2一次系統(tǒng)結構

柔性直流換流站的一次系統(tǒng)結構為35KV交流系統(tǒng)通過開關連接至換流變，將交流側的電壓變換為換流閥輸入所需要的電壓（31KV）然后進行交/直流變換（直流電壓為±30KV），通過直流線路輸送至對側換流站再進行直/交流變換。每個橋臂每相分別安裝一個閥電抗器。閥電抗器是VSC與交流系統(tǒng)之間傳輸功率的紐帶，它決定換流閥的功率輸送能力、有功功率與無功功率的控制；同時閥電抗器能抑制換流閥輸出的電流和電壓中的開關頻率諧波量，以獲得期望的基波電流和基波電壓。另外，換流電抗器還能抑制短路電流。

3柔性直流運行模式和控制方式

MMC可以通過調節(jié)換流器出口電壓的幅值和與系統(tǒng)電壓之間的功角差，獨立地控制輸出的有功功率和無功功率。

有功功率的傳輸主要取決于δ，無功功率的傳輸主要取決于Uc。因此通過對δ的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過控制Uc就可以控制VSC發(fā)出或者吸收的無功功率。從系統(tǒng)角度來看，VSC可視為一無轉動慣量的電動機或發(fā)電機，可以實現(xiàn)有功和無功功率的瞬時獨立調節(jié)，進行四象限運行。

4柔性直流換流閥原理

模塊化多電平換流器閥是由多個IGBT子模塊進行級聯(lián)而成的，單個子模塊中由兩個IGBT串聯(lián)組成一個半橋換流器，同時并聯(lián)一個直流支撐電容，輔助元件包括快速旁路開關（真空斷路器）、短路保護晶閘管（壓接式晶閘管）、均壓電阻、還有子模塊控制器（SMC，Sub-ModuleControllers）。旁路開關的作用：用于切除故障模塊的快速切除和冗余模塊的快速投入。當旁路開關合位時，此子模塊處于“冷備用”。當旁路開關分閘時，將子模塊投入，當旁路開關合閘時，將故障模塊切除，一旦子模塊發(fā)生故障旁路開關合閘后，必須等到換流閥改為檢修狀態(tài)時方可打開。短路保護晶閘管的作用：在直流側短路故障發(fā)生后，斷路器斷開前這段時間內進行處觸發(fā)導通，以承擔本應該流過續(xù)流二極管的過電流，起到保護續(xù)流二極管的作用。均壓電阻的作用：起到為電容器電壓提供一個靜態(tài)均壓的作用，另外還為均壓控制中的電容電壓反饋提供一個電阻分壓后的檢測通道。子模塊控制器的作用：接受VBC的信號，導通和關斷IGBT，觸發(fā)短路保護晶閘管，控制旁路斷路器，測量電容電壓，并將子模塊相關狀態(tài)信息量上傳VBC。

兩個IGBT將對應四種開關狀態(tài)，但是由于子模塊自身的特點，兩個IGBT同時開通時將造成電容器的短路放電，產生非常大的短路電流，并且如果保護不當將造成器件損壞，因此這種狀態(tài)是不允許出現(xiàn)的。具體的狀態(tài)分析如下：

4.1狀態(tài)1：兩個IGBT都處于關斷

此狀態(tài)可以看做兩電平換流器的一相橋臂兩個開關器件關斷。當電流從直流正極向交流端流動時（定義為正向），電流流過子模塊的續(xù)流二極管D1向電容充電；當電流反向流動，則將直接通過續(xù)流二極管D2將子模塊旁路。

在正常運行時，此狀態(tài)不應該出現(xiàn)。只有當系統(tǒng)處于啟動充電過程中，將所有的調制子模塊（SM）置成此狀態(tài)，通過續(xù)流二極管D1為電容充電。此外，當出現(xiàn)嚴重故障情況下，所有的子模塊也將控制成此種狀態(tài)。

4.2狀態(tài)2：IGBT1開通，IGBT2關斷

此狀態(tài)下，當電流正向流動時，電流將通過續(xù)流二極管D1流入電容，對電容充電；當電流反向流動時，電流將通過IGBT1為電容放電。此工作狀態(tài)有如下特點：電流可以雙向流動；不管電流從何種方向流動，子模塊輸出端總會引出子模塊電容電壓；子模塊電容可以充、放電，取決于電流的方向，這一特點可幫助各子模塊電容電壓均衡、將其維持在同一水平值。

4.3狀態(tài)3：IGBT1關斷，IGBT2開通

此狀態(tài)下，當電流正向流通時，電流將通過IGBT2將子模塊（SM）的電容電壓旁路；當電路方向流通時將通過續(xù)流二極管D2將電容旁路。此時的工作狀態(tài)具有如下特點：電流可以雙向流動；不管電流從何種方向流動，子模塊電容電壓不會受到影響；子模塊輸出端引出的僅是開關器件的通態(tài)壓降，約為零電壓，這一特點使子模塊能夠冗余。

5結語

柔性直流技術作為新技術發(fā)展很快，實際運用也將越來越廣泛，為驗證新技術的穩(wěn)定性和可靠性，需要技術人員通過結合實際反復改進試驗方法，讓可再生能源得到更多利用。

參考文獻：

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