多模塊多電平高壓換流閥換流技術(shù)

胡應(yīng)宏 宋鵬 李春 郭慶*

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院 北京市 100045 2.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院 四川省成都市 610054）

1 引言

當(dāng)前國(guó)民生活品質(zhì)的持續(xù)提升，每家用戶的電量消耗也急劇上升，因此對(duì)供電系統(tǒng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性要求越來越苛刻[1]。輸電產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，因此高精度諧波負(fù)荷建模與預(yù)測(cè)方法將對(duì)電力系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)具有潛在的價(jià)值。

電力系統(tǒng)正面臨著自誕生以來最重要的轉(zhuǎn)變。而在柔性高壓直流輸電領(lǐng)域方面，換流器經(jīng)歷了從汞弧閥到晶閘管再到絕緣柵雙極型晶體管的應(yīng)用。柔性直流輸電技術(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)的有功功率和無功功率進(jìn)行快速地、獨(dú)立地、準(zhǔn)確地控制，具有運(yùn)行靈活和可靠的優(yōu)點(diǎn)，是解決我國(guó)可再生能源問題的一種有效手段[2]。同時(shí)，模塊化多電平換流器作為柔性直流輸電技術(shù)中的一種典型器件，一直是直流輸電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 MMC數(shù)學(xué)模型

2.1 橋臂電流分析

結(jié)合開關(guān)函數(shù)與瞬時(shí)功率，可以建立模塊化多電平換流器的時(shí)域上的數(shù)學(xué)模型。該模型涉及到換流器交直流電壓、橋臂電流電壓、橋臂子模塊電容電壓總和以及單個(gè)子模塊電容的電壓電流的時(shí)域表達(dá)式，可以合理描述各電氣量與主回路參數(shù)的關(guān)系。計(jì)算和仿真結(jié)果表明，該建模方法是可行的，并具有較高的精確度。三相模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中O點(diǎn)表示零電位參考點(diǎn)。本模型采用六脈動(dòng)模型，含三相共六個(gè)橋臂，每相由上橋臂和下橋臂各244個(gè)子模塊和電抗器所組成，其中子模塊為IGBT構(gòu)成的半橋結(jié)。

圖1：MMC基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC在運(yùn)行過程中，每相要求任何時(shí)刻投入的子模塊數(shù)都為該相總數(shù)的一半，每相投入子模塊數(shù)應(yīng)滿足：

其中Nj為第j相下橋臂投入的子模塊數(shù)，Pj為第j相上橋臂投入的子模塊數(shù)，j=a、b、c。

在仿真中不考慮半橋結(jié)構(gòu)的電容影響，即子模塊投入時(shí)電壓維持均衡，在每相中輸入的直流電流平均分配，為idc/3。交流側(cè)電流在上下橋臂反向平均流動(dòng)。則橋臂電流為：

其中k為模型的交流輸出端口。

換流閥電阻R0和電抗L0由基爾霍夫電壓定律可推導(dǎo)出abc坐標(biāo)系下的時(shí)域數(shù)學(xué)模型為：

對(duì)上式進(jìn)行DQ矢量變換，利用Park變換將三相坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到有功無功坐標(biāo)下，從而對(duì)dq軸電流進(jìn)行解耦，從而分解為內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)功率控制，便于使用有功無功功率直接控制[3]。變換矩陣為：

經(jīng)過abc-dq變換與解耦，實(shí)現(xiàn)了d軸和q軸的解耦控制，在頻域下模型變換為：

2.2 控制器搭建

為更好控制，使用直接控制方式，簡(jiǎn)化換流閥的數(shù)學(xué)模型，控制器分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)內(nèi)環(huán)電流控制[4]。引入補(bǔ)償項(xiàng)wLeqiq、wLeqid和前饋項(xiàng)ud、uq解除電流間的耦合，在PI控制下結(jié)合式可得控制器輸出為：

內(nèi)環(huán)電流的參考值由外環(huán)計(jì)算得出，i*d由外環(huán)控制變量高壓直流電壓參考值與實(shí)際值之差、U*d-Ud、有功功率P。i*q的外環(huán)控制變量為：并網(wǎng)電壓幅值V和無功功率Q。控制器部分經(jīng)過內(nèi)外環(huán)控制后再經(jīng)環(huán)流抑制，得到參考電壓并生成PWM波，將波形應(yīng)用到子模塊的控制中，實(shí)現(xiàn)MMC中橋臂電壓的控制。實(shí)驗(yàn)中采用了平均值的建模方法，忽略了MMC中各個(gè)子模塊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而視其為理想模塊，電壓實(shí)行的跳變。每個(gè)橋臂都等效為一個(gè)電壓源，電壓幅值為控制器計(jì)算出的參考電壓。

3 模型驗(yàn)證

采用MATLAB/Simulink搭建MMC-HVDC模型。直流側(cè)輸入電壓為500kV，其中入網(wǎng)側(cè)電壓有效值為200kV，換流器擁有六個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由244個(gè)子模塊串聯(lián)構(gòu)成，即可以存在245個(gè)電平，子模塊電容為12000uF。

圖2：MMC A相上橋臂電壓

仿真結(jié)果表明：在直流端加載前的暫態(tài)過程中，MMC模塊上的電壓逐漸升高。直流側(cè)加載通電瞬間MMC上電壓電流都出現(xiàn)波動(dòng)，加電后暫態(tài)過程約1.5s后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，高壓直流轉(zhuǎn)換為三相電波形較好，調(diào)制波形符合電流轉(zhuǎn)換要求，但該模型為未考慮子模塊電容的模型。

5 結(jié)論

本文研究了單橋臂244模塊時(shí)高壓直流輸入下利用DQ矢量控制向電網(wǎng)輸電的問題，建立了存在直流線路故障時(shí)換流閥暫態(tài)電流的數(shù)學(xué)模型，該模型具有較高的精確性。換流閥電流由直流分量和基頻交流分量組成，直流分量是單向變化的，而基頻交流分量短時(shí)內(nèi)是恒定的，且上、下橋臂電流呈現(xiàn)互補(bǔ)特性。