基于模塊化多電平換流器的限流式統(tǒng)一潮流控制器的設(shè)計(jì)

周洋，江道灼，陳峰，唐偉佳，胡鵬飛，尹瑞

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市 310027)

?

基于模塊化多電平換流器的限流式統(tǒng)一潮流控制器的設(shè)計(jì)

周洋，江道灼，陳峰，唐偉佳，胡鵬飛，尹瑞

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市 310027)

傳統(tǒng)基于電壓源換流器(voltage source controller，VSC)的統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)開關(guān)頻率高、輸出電壓諧波大、電壓等級低，同時(shí)在運(yùn)行過程中也有遭受短路故障的可能性和風(fēng)險(xiǎn)，特別是在大容量高電壓的場合下，極易造成器件的損壞。將模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)引入U(xiǎn)PFC中，同時(shí)改進(jìn)MMC的控制策略以適應(yīng)所提拓?fù)涞囊螅瑫r(shí)由于MMC的引入，短路故障的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大，因此在MMC-UPFC的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了限流模塊，該限流模塊能在系統(tǒng)短路故障下有效地抑制短路電流，且該限流器在正常工作情況下并不會(huì)給線路增加負(fù)擔(dān)。整個(gè)UPFC的拓?fù)渚哂心K化程度高、諧波小、容量擴(kuò)展、短路快速限流等特點(diǎn)，該文所設(shè)計(jì)的拓?fù)湓黾恿讼到y(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

柔性交流輸電系統(tǒng)；統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)；故障限流；模塊化多電平換流器(MMC)

0 引 言

柔性交流輸電系統(tǒng)的發(fā)展使得大量的柔性裝置被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是第三代FACTS裝置的代表，其功能非常強(qiáng)大，可為電網(wǎng)提供先進(jìn)的控制手段，而目前國內(nèi)外有關(guān)UPFC的研究主要集中于其潮流控制策略[1-3]、工程應(yīng)用[4-5]以及衍生裝置[6]等諸多方面。同時(shí)，近年來，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)由于其模塊化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證了其適用于高壓大容量的場合，相比于傳統(tǒng)的兩三電平拓?fù)?，MMC具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)輸出波形良好，冗余容錯(cuò)控制能力強(qiáng)等優(yōu)勢[7-8]。可擴(kuò)展的電平數(shù)通過合適的調(diào)制方式可以大幅提高輸出電壓的波形質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。而目前針對MMC的研究則主要集中暫態(tài)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)建模[9-10]、調(diào)制控制策略[11-13]、相間環(huán)流抑制策略[14-15]和交直流系統(tǒng)故障保護(hù)[16-17]等。

由文獻(xiàn)[18-19]可知，經(jīng)過仿真模擬和多次樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，基于VSC的限流式UPFC波形輸出質(zhì)量較差，系統(tǒng)總的容量較小，難以應(yīng)用到中高壓的柔性輸電領(lǐng)域，因此構(gòu)建基于MMC的限流式UPFC具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢?；贛MC的UPFC-FCL由UPFC和限流器(fault current limiting, FCL)這2個(gè)模塊通過串聯(lián)耦合變壓器連接組成，電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，整個(gè)裝置等效為常規(guī)UPFC模式對線路潮流進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)裝置在安裝點(diǎn)附近發(fā)生短路故障時(shí)，限流器模塊能夠立即自動(dòng)變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)插入系統(tǒng)回路中保護(hù)系統(tǒng)的正常工作。

1 基于MMC的UPFC-FCL拓?fù)浜凸ぷ髟?/h2>

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于MMC的UPFC-FCL電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖示為多端系統(tǒng)，UPFC裝置由串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)構(gòu)成，串并聯(lián)側(cè)均采用MMC為主要結(jié)構(gòu)，兩側(cè)換流器由中間的直流母線連接，其并聯(lián)整流側(cè)和串聯(lián)逆變側(cè)均由MMC構(gòu)成，MMC每相包括上下2個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊級聯(lián)組成，每個(gè)子模塊包括2個(gè)帶反并聯(lián)二極管的IGBT和1個(gè)直流電容。UPFC并聯(lián)側(cè)通過從系統(tǒng)吸收有功來穩(wěn)定直流側(cè)的母線電壓，同時(shí)通過串聯(lián)側(cè)，向系統(tǒng)輸出經(jīng)過調(diào)節(jié)后的電壓，而電壓的幅值、相角等則通過UPFC來調(diào)節(jié)。同時(shí)拓?fù)湓赨PFC的串聯(lián)側(cè)模塊連接一個(gè)限流器，它采用三相橋式固態(tài)限流器的結(jié)構(gòu)[20]，主要進(jìn)行故障時(shí)的短路限流。在圖1中，串聯(lián)變壓器原邊串聯(lián)接入三相交流電網(wǎng)輸電線路，副邊的一端接UPFC的串聯(lián)輸出端，一端接三相橋式固態(tài)限流器。

1.2 MMC開關(guān)周期平均模型的建立

MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 MMC-UPFC-FCL基本電路拓?fù)銯ig.1 Basic circuit topology of MMC-UPFC-FCL

圖2 MMC電路拓?fù)銯ig.2 Circuit topology of MMC

圖3所示為上、下橋臂等電位點(diǎn)Uoi(i=a,b,c)與橋臂電壓Upi、Uni以及直流電壓之間的關(guān)系。

圖3 MMC橋臂電壓、交流輸出電壓和直流電壓關(guān)系Fig.3 Relationship of bridge arm voltage, AC output voltage and DC voltage of MMC

由基爾霍夫電壓定律，可分別得到MMC上下橋臂開關(guān)周期平均模型關(guān)系式如下：

(1)

(2)

假設(shè)上、下橋臂子模塊參數(shù)及電容電壓對稱，即Rp=Rn=R，Usmp=Usmn=Usm；將式(1)、(2)相加，可得：

(3)

式中：用Isi代替了Ipi+Ini，Usi代替了Upi+Uni。

各相上、下橋臂子模塊輸出電壓之和滿足關(guān)系：

(4)

在模型的建立過程中，忽略橋臂電抗器上的壓降，Udc≈NUsm，則由式(4)推導(dǎo)上、下橋臂占空比滿足：

(5)

式中di表示MMC各相的等效輸出調(diào)制比。

對式(3)進(jìn)行變量替換得到MMC三相靜止坐標(biāo)系開關(guān)周期平均數(shù)學(xué)模型：

(6)

應(yīng)用Park變換，得到MMC在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中開關(guān)周期平均模型：

(7)

1.3 FCL工作原理

基于MMC的限流式UPFC正常運(yùn)行時(shí)，限流器模塊中的所有晶閘管T1～T8的常觸發(fā)導(dǎo)通。裝置啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)首先通過三相橋式整流電路對直流限流電感Ld充電使其電流Id達(dá)到系統(tǒng)交流電流的峰值，隨即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作。同一相橋臂的上下2個(gè)晶閘管交替工作180°電角度，任一時(shí)刻T1～T6中有3個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于電感的電流源作用，在忽略電阻的情況下，直流電感電流Id在交流電流峰值水平上保持恒定，Id與交流電流的差值由續(xù)流管T7和T8續(xù)流。由于續(xù)流管的導(dǎo)通，三相橋式整流電路的直流側(cè)被短接(Ud=0)，亦即限流器模塊交流側(cè)節(jié)點(diǎn)O處的3個(gè)端子等效為短接，限流器模塊呈現(xiàn)零阻抗，整個(gè)限流式UPFC裝置等效為常規(guī)UPFC對系統(tǒng)的電壓、相角和阻抗進(jìn)行綜合補(bǔ)償。對UPFC模塊的控制方法也與常規(guī)UPFC相同，對限流器模塊的控制僅僅是給所有晶閘管常加觸發(fā)脈沖即可，可見限流器模塊的加入并未增加裝置控制的復(fù)雜度。

當(dāng)裝置安裝點(diǎn)附近，即圖1中的A處發(fā)生短路故障時(shí)，短路點(diǎn)電壓U2突變?yōu)?，全部系統(tǒng)電源電壓突然施加到串聯(lián)變壓器上，并通過三相橋式電路整流后加到限流器模塊直流側(cè)，導(dǎo)致限流器直流側(cè)電壓Ud突然增大，迫使續(xù)流管T7和T8因承受反向電壓而關(guān)斷，直流限流電感Ld立即自動(dòng)串入串聯(lián)變壓器副邊回路，進(jìn)而耦合到原邊線路以限制短路電流及其上升率。與此同時(shí)，當(dāng)裝置控制系統(tǒng)檢測確認(rèn)故障后立即采取相應(yīng)動(dòng)作，20ms內(nèi)串聯(lián)變壓器副邊的短路電流將自動(dòng)切斷，整個(gè)裝置等效為開路，有效地保護(hù)了UPFC模塊不受短路電流的沖擊而損壞，而且有效解決了UPFC在系統(tǒng)推廣應(yīng)用所面臨的短路電流問題，并降低了系統(tǒng)的短路電流水平，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保證[18]。

2 基于MMC的UPFC-FCL的調(diào)制策略

由于MMC由大量的子模塊級聯(lián)而成，因此其調(diào)制策略的選擇非常靈活。MMC-UPFC的工作性能受MMC底層調(diào)制技術(shù)的影響較大且密切相關(guān)，目前對于MMC的主要調(diào)制策略主要有脈寬調(diào)制(pulse-widthmodulation，PWM)多電平階梯波調(diào)制。使用PWM調(diào)制方法時(shí)，不能夠隨意控制某個(gè)子模塊中IGBT的開通關(guān)斷，因此較為困難，同時(shí)因?yàn)镸MC的子模塊數(shù)都較多，要實(shí)時(shí)采樣各子模塊直流側(cè)電容電壓的大小，同時(shí)根據(jù)采樣值進(jìn)行排序，這些過程對于運(yùn)算能力低的系統(tǒng)顯得非常困難。因此PWM調(diào)制會(huì)使子模塊數(shù)較多的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變的非常復(fù)雜，因此在模塊數(shù)較多的MMC中應(yīng)用PWM調(diào)制不是最好的選擇。階梯波調(diào)制策略包括選擇諧波消去法調(diào)制(selectedharmonicelimination，SHE)和最近電平調(diào)制[12](nearestlevelmodulation，NLM)。SHE調(diào)制需要計(jì)算每個(gè)子模塊的開關(guān)角，對計(jì)算量和計(jì)算速度要求高。NLM核心思想是以最少誤差的階梯波來逼近調(diào)制波，實(shí)現(xiàn)方法簡單，開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗小，硬件電路實(shí)現(xiàn)簡單，算法簡單，非常適用于子模塊個(gè)數(shù)很多的MMC。

傳統(tǒng)的最近電平逼近調(diào)制在計(jì)算需要投入的子模塊個(gè)數(shù)時(shí)，往往用橋臂電壓參考值除以子模塊的電容電壓，而該電容電壓在傳統(tǒng)的調(diào)制中是定值，但實(shí)際子模塊電容電壓有波動(dòng)，因此在下文所述的仿真過程中，調(diào)制策略將即時(shí)的子模塊電容電壓反饋到調(diào)制策略中，以此得到更完美的時(shí)域波形。

3 基于MMC的UPFC-FCL的控制策略

由三相橋式固態(tài)限流器的原理分析可知，正常狀況下，限流器模塊的控制僅僅是給晶閘管T1至T8常加觸發(fā)脈沖使其等效為零阻抗?fàn)顟B(tài)，因此UPFC模塊的控制與常規(guī)UPFC將完全一樣。

對于UPFC并聯(lián)側(cè)的控制采用常規(guī)的電壓-電流雙環(huán)PI控制，但在調(diào)制方式的選擇上由常規(guī)的PWM調(diào)制方式變換為更適用于多子模塊數(shù)的NLM調(diào)制方式，電壓-電流雙環(huán)PI控制方式如圖4所示。

圖4 UPFC并聯(lián)變換器控制框圖Fig.4 Control block diagram of UPFC shunt converter

圖4中：Ishd,Ishq分別代表并聯(lián)側(cè)交流電流的d,q分量。

而對于UPFC串聯(lián)側(cè)的控制則采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的PI控制方式，功率外環(huán)控制中，在恒幅值Park變換條件下，線路A點(diǎn)的有功功率P和無功功率Q可以表示為

(8)

由此可得串聯(lián)變換器雙環(huán)控制策略如圖5所示。

圖5 UPFC串聯(lián)變換器控制框圖Fig.5 Control block diagram of UPFC series converter

圖5中Ised，Iseq分別代表串聯(lián)側(cè)交流電流的d，q分量。

當(dāng)裝置安裝點(diǎn)附近發(fā)生短路故障時(shí)，在短路故障下采用逆變續(xù)流混合瞬斷模式[18]，該方法簡單、可靠，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

4 基于MMC的UPFC-FCL的仿真驗(yàn)證

基于MMC的UPFC與傳統(tǒng)的基于VSC的UPFC裝置相比，這類拓?fù)渫ㄟ^子模塊的串聯(lián)即可提升電壓等級和裝置容量，一方面避免了大量開關(guān)器件的直接串聯(lián)和采用多重化變壓器所帶來的諸多問題，另一方面在高電壓大容量的應(yīng)用場合，換流器輸出電壓的電平數(shù)可達(dá)幾十甚至上百，輸出波形的總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)較低，因此，MMC可大大減少濾波器容量甚至不再需要裝設(shè)濾波裝置。而大容量的UPFC則可以更為方便的應(yīng)用在如今快速發(fā)展的高壓大容量的輸電系統(tǒng)中。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)總?cè)萘康耐怀鲎兓蛯χC波的有效抑制，采用PSCAD/EMTDC軟件對基于MMC的UPFC-FCL進(jìn)行建模和仿真，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，仿真參數(shù)設(shè)置見表1[21]。

表1 仿真系統(tǒng)主要電路參數(shù)

Table 1 Main circuit parameters of simulation system

4.1 正常運(yùn)行狀態(tài)仿真驗(yàn)證

4.1.1 穩(wěn)態(tài)仿真驗(yàn)證

在系統(tǒng)非故障運(yùn)行的情況下，仿真驗(yàn)證基于MMC的UPFC-FCL的運(yùn)行情況。

圖6所示為對UPFC串聯(lián)側(cè)出口處A相相電壓波形的對比圖，其中圖6(a)為MMC-UPFC-FCL的波形圖，圖6(b)為VSC-UPFC-FCL的波形圖，可以看出在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，基于MMC的UPFC波形效果較傳統(tǒng)的UPFC電壓穩(wěn)定性大大提高，串聯(lián)側(cè)輸出電壓波形完美擬合正弦波，電壓波形的波動(dòng)小、毛刺少、波形質(zhì)量有效提升。

圖6 UPFC串聯(lián)側(cè)出口處A相相電壓波形的對比Fig.6 Comparison of voltage waveform of UPFC series in phase A

圖7所示為利用FFT對二者串聯(lián)側(cè)出口A相相電壓的波形進(jìn)行諧波分析的對比圖，分別觀察基于MMC以及VSC的限流式統(tǒng)一潮流控制的1～31次波形相對值，可以看出MMC系統(tǒng)除基波以外的各次諧波分量占比非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，而傳統(tǒng)的UPFC則有較大的諧波奇次分量。

圖7 UPFC串聯(lián)側(cè)出口A相相電壓波形諧波分析Fig.7 Comparison of voltage waveform harmonic of UPFC series in phase A

4.1.2 動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證

由MMC和VSC的結(jié)構(gòu)對比可知，MMC具有容量大的顯著特點(diǎn)，因此通過對MMC系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)在容量發(fā)生較大變化的情況下能否穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置有功功率由20 kW增長到40 kW，無功功率不發(fā)生變化。

圖8所示為當(dāng)MMC-UPFC-FCL系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)功率突變之后的P、Q動(dòng)態(tài)跟蹤效果，從仿真圖中可以看出系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在大容量的情況下系統(tǒng)保持了MMC-UPFC的良好響應(yīng)性能，線路運(yùn)行穩(wěn)定正常。

圖9所示為從MMC中A相上下橋臂電流角度觀察系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中的電流跟蹤情況，可以看出橋臂電流跟蹤響應(yīng)速度快，且波形沒有毛刺，進(jìn)一步證實(shí)了該系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

通過對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的仿真驗(yàn)證，可以得出MMC-UPFC-FCL的系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定運(yùn)行特性。

4.2 故障運(yùn)行狀態(tài)仿真驗(yàn)證

故障運(yùn)行狀態(tài)下的仿真則驗(yàn)證了系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，限流器模塊對短路電流的有效抑制，在PSCAD/EMTDC系統(tǒng)模型中設(shè)置在2 s時(shí)，圖1的A處發(fā)生三相短路故障，短路點(diǎn)對地電阻為0.01 Ω。

圖8 MMC-UPFC-FCL系統(tǒng)P, Q動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形Fig.8 P, Q dynamic response waveform of MMC-UPFC-FCL system

圖9 MMC-UPFC-FCL系統(tǒng)A相上下橋臂電流響應(yīng)Fig.9 Upper and lower bridge arm current response in phase A of MMC-UPFC-FCL system

圖10對限流器的工作原理進(jìn)行了驗(yàn)證，正常穩(wěn)定工作時(shí)，直流電感電流約為三相線電流的峰值，該值穩(wěn)定在1.5 kA附近，當(dāng)系統(tǒng)故障后，系統(tǒng)約在2 ms左右響應(yīng)故障，此后限流器自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦杩共迦胂到y(tǒng)回路，將Id的峰值抑制在6.3kA左右，此后整流橋工作在逆變狀態(tài)將電感能量返回給電網(wǎng)，Id逐漸減小，直至故障后12ms左右觸發(fā)續(xù)流管T7和T8導(dǎo)通，使Id轉(zhuǎn)移至其中續(xù)流衰減。

圖10 短路故障時(shí)限流器模塊Ld的電流響應(yīng)Fig.10 Current respond of Ld current limiter module in short circuit fault

圖11為故障后系統(tǒng)三相電壓的變化情況，在限流器模塊工作之后，系統(tǒng)三相電壓迅速由故障點(diǎn)降至0，避免了過電壓對系統(tǒng)模塊造成的破壞。

圖11 短路故障時(shí)系統(tǒng)三相電壓響應(yīng)Fig.11 Three-phase voltage respond of system in short circuit fault

通過對系統(tǒng)在短路故障情況下的仿真可以看出MMC-UPFC-FCL系統(tǒng)具有良好的限流作用。

綜合以上仿真結(jié)果，有效地證明了該系統(tǒng)不僅擁有大容量、高電壓、低諧波的特性，同時(shí)兼具FCL的限流作用，從而反應(yīng)了該系統(tǒng)能夠較為合理地應(yīng)用于快速發(fā)展的高壓輸電場合進(jìn)行潮流調(diào)節(jié)和短路限流。

5 結(jié) 論

本文提出的基于MMC的限流式UPFC具有如下優(yōu)勢和特點(diǎn)：

(1)在配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，限流器模塊呈現(xiàn)零阻抗，裝置等效為常規(guī)的MMC-UPFC，限流器模塊對系統(tǒng)無干擾；

(2)相比常規(guī)的UPFC-FCL而言，MMC的加入使得系統(tǒng)的容量顯著提高，能夠大大提高系統(tǒng)的電壓等級，適合推廣到發(fā)展較為迅速的高壓輸電場合；

(3)相較傳統(tǒng)對VSC的PWM調(diào)制等，本系統(tǒng)對MMC采用NLM的調(diào)制策略，使得UPFC系統(tǒng)的輸出電流波形諧波更小，波形更為完美；

(4)本文所提出的系統(tǒng)不僅增加了系統(tǒng)的容量以及安全性、可靠性，更能夠給電力系統(tǒng)帶來較大的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

[1]Verveckken J, Silva F, Barros D, et al. Direct power control of series converter of unified power flow controller with three-level neutral point clamped converter[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(4):1772-1782.

[2]Yu Q, Round S D, Norum L E, et al. Dynamic control of a unified power flow controller[C]//Proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1996, Baveno Italy:508-514.

[3]朱鵬程，劉黎明，劉小元，等. 統(tǒng)一潮流控制器的分析與控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,30(01):45-51. Zhu Pengcheng, Liu Liming, Liu Xiaoyuan, et al. Analysis and study on control strategy for UPFC[J] Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(01): 45-51.

[4]Renz B A, Keri A, Mehraban A S, et al. AEP unified power flow controller performance[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(4): 1374-1381.

[5]Arabi S, Hamadanizadeh H, Fardanesh B, Convertible static compensator performance studies on the NY state transmission system[J]. IEEE Transactions on Power Systemes, 2002,17(3):701-706.

[6]Yuan Zhihui, de Haan S W H, Ferreira J B, et al, A FACTS device: distributed power flow controller[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(10): 2564-2572.

[7]Lesnicar A, Marquardt R. An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range[C]// Proceedings of the 2003 IEEE Bologna Power Technology Conference, Bologna, Italy, 2003:23-26[8]Glinka M. Prototype of multiphase modular multilevel converter with 2 MW power rating and 17 level output voltage[C]//Proceedings of Power Electronics Specialists Conference. Aachen, Germany: IEEE, 2004：2572-2576. [9]Ilves K, Antonopoulos A, Norrga S, et al. Steady-state analysis of interaction between harmonic components of arm and line quantities of modular multilevel converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(1): 57-68.

[10]Harnefors L, Antonopoulos A, Norrga S, et al. Dynamic analysis of modular multilevel converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(7): 2526-2537.

[11]郭捷，江道灼，周月賓，等. 交直流側(cè)電流分別可控的模塊化多電平換流器控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(7): 42-47. Guo Jie, Jiang Daozhuo, Zhou Yuebin, et al. AC and DC current hybrid control strategy for modular multilevel converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(7): 42-47.

[12]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(dòng)化, 2010,34(2): 48-52. Guan Minyuan, Xu Zheng, Tu Qingrui, et al. Nearest level modulation for modular multilevel converters in HVDC transmission[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010,34(2): 48-52.

[13]胡鵬飛,江道灼,郭捷,等.基于晶閘管換向的混合型多電平換流器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(21):102-107. Hu Pengfei，Jiang Daozhuo，Guo Jie，et al. Hybrid multilevel converters based on thyristor alternate-arms[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(21): 102-107.

[14]屠卿瑞，徐政，管敏淵，等.模塊化多電平換流器環(huán)流抑制控制器設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(18)：57-61. Tu Qingrui，Xu Zheng，Guan Minyuan，et al.Design of circulating current suppressing controllers for modular multilever converter[J].Automation of Electric Power Systems，2010，34(18)：57-61.

[15]Angquist L, Antonopoulos A, Siemaszko D, et al. Open-loop control of modular multilevel converters using estimation of stored energy[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(6): 2516-2524.

[16]王姍姍，周孝信，湯廣福，等. 模塊化多電平換流器HVDC直流雙極短路子模塊過電流分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2011，31(1): 1-7. Wang Shanshan, Zhou Xiaoxin, Tang Guangfu, et al. Analysis of submodule overcurrent caused by DC pole-to-pole fault in modular multilevel converter HVDC system[J]. Proceedings of the CSEE，2011，31(1)：1-7.

[17]Guan Minyuan, Xu Zheng. Modeling and control of a modular multilevel converter-based HVDC system under unbalanced grid conditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(12)：4858-4867.

[18]閻博，江道灼，吳兆麟，等.具有短路限流功能的統(tǒng)一潮流控制器設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(4)：69-73. Yan Bo, Jiang Daozhuo, Wu Zhaolin, et al.Design of unified power flow controller with fault current limiting[J].Automation of Electric Power Systems，2012，36(4)：69-73.

[19]閻博，藏玉清，江道灼，等.限流式統(tǒng)一潮流控制器的動(dòng)態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(13)：101-105. Yan Bo, Zang Yuqing, Jiang Daozhuo, et al.Dynamic analysis and experiment of unified power flow controller with fault current limiting[J].Automation of Electric Power Systems，2012，36(13)：101-105.

[20]蔡永華，江道灼，吳兆麟. 三相橋式固態(tài)限流器數(shù)學(xué)模型及其仿真研究[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2004,16(05):56-61. Cai Yonghua, Jiang Daozhuo, Wu Zhaolin. Study on mathematic model simulation of three phase solid state fault current limiter [J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2004,16(05):56-61.

[21]沈忱，江道灼，呂文韜，等. 限流式統(tǒng)一潮流控制器參數(shù)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)實(shí)例[J]. 電力建設(shè)，2013，34(11): 1-6. Shen Chen, Jiang Daozhuo, Lyu Wentao, et al. Parameters design and example of unified power flow controller with fault current limiting[J]. Electric Power Construction，2013,34(11)：1-6.

(編輯：張媛媛)

Unified Power Flow Controller Design with Fault Current Limiting Based on Modular Multilevel Converters

ZHOU Yang, JIANG Daozhuo, CHEN Feng, TANG Weijia, HU Pengfei, YIN Rui

(Zhejiang University, College of Electrical Engineering, Hangzhou 310027, China)

Traditional unified power flow controller (UPFC) based on voltage source controller (VSC) has high switch frequency, obvious voltage harmonic and lower voltage level. Meanwhile, UPFC has big risk and possibility to suffer the short circuit fault, which can cause the damage to device, especially in the situation of large capacity and high voltage. Thus, this paper applied modular multilevel converter (MMC) in the UPFC, and improved the control strategy of MMC to meet the requirements of the proposed topology, but the system might suffer larger risk of short circuit fault. So this paper also designed the current limiting module based on MMC-UPFC, which could effectively restrain the short-circuit current in the short circuit fault, without increasing any burden to the system in the normal condition. In all, the topology of entire UPFC system has advantages of higher modularity level, smaller harmonic wave, capacity extension, rapid current-limiting in short circuit fault and so on, which can increase system’s reliability, safety and economy for the designed topology.

FACTS; unified power flow controller (UPFC); fault current limiting; modular multilevel converter(MMC)

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2012AA050402); 浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2010R50004)。

TM 76

A

1000-7229(2015)05-0007-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.002

2015-03-24

2015-04-01

周洋(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娕c海上風(fēng)電場并網(wǎng)；

江道灼(1960)，男，教授，主要研究方向?yàn)榻恢绷麟娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制技術(shù)、電力電子在電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)、電力系統(tǒng)現(xiàn)場智能測控技術(shù)；

陳峰(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄蘖髌骷叭嵝越涣鬏旊娂夹g(shù)；

唐偉佳(1991)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)；

胡鵬飛(1987)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)槿嵝越涣鬏旊姾腿嵝灾绷鬏旊姡?/p>

尹瑞(1990)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)槿嵝越涣鬏旊姾头植际桨l(fā)電。

Project Supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2012AA050402); Major Project on Science and Technology Innovation Team, Zhejiang Province (2010R50004).