新型模塊化多電平換流器通用平臺的研究

陳宏　李武華

摘 要 為了提高學(xué)生在高壓直流輸電方面的科研能力，探索模塊化多電平換流器的擴展配置，提出把專業(yè)知識和應(yīng)用實踐結(jié)合起來，設(shè)計制作了新型模塊化多電平換流器通用平臺的方案，采用 T型全橋子模塊的拓?fù)渲貥?gòu)，串行通信的MMC層次化控制方案，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俣龋哂型ㄓ眯院涂蓴U展性。整個新型模塊化多電平換流器通用平臺達(dá)到最高直流電壓2KV，最大容量100KW，子模塊電容4800uF，橋臂電抗器10mH的技術(shù)指標(biāo)。實踐證明，自制新型模塊化多電平換流器通用平臺，實現(xiàn) MMC靈活配置，培養(yǎng)專業(yè)人才，是實現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用的重要實踐典范。

關(guān)鍵詞 高壓直流輸電 模塊化多電平換流器 全橋子模塊 串行通信

中圖分類號：TM721.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.07.011

AbstractIn order to improve students' research ability on the high voltage direct current transmission and explore the expansion configuration of modular multilevel converter， the new modular multilevel converter universal platform is proposed to design and fabricate with the combination of the specialty knowledge and the practical application. The key technologies including T-type full-bridge sub-module topology and the serial communication in Hierarchical control scheme are utilized for the universal requirement and scalable demand to improve the capacity and speed of communication. The working parameter can reach the 2KV direct grid with 100KW capacity， 4800uF sub-module capacitance， and 10mH bridge arm reactor. It is demonstrated by the practical experience that self-fabricated new modular multilevel converter universal platform can realize the flexible MMC configuration and cultivate the specialty researchers， which is the vital practical example to convert the scientific results into the engineering application.

Keywords flexible high voltage direct current transmission; modular multilevel converter （MMC）; full-bridge sub-module; serial communication

0引言

在我國西部地區(qū)電力充足、東部地區(qū)電力緊缺的實際狀況中，電力能源的運輸顯得尤其重要。預(yù)計到2020年，我國將發(fā)展成為以特高壓為骨干輸電網(wǎng)架，西電東送容量超過1.5億kW的巨型交直流電網(wǎng)。[1]高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）比交流輸電具有更高的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性。[2]高壓直流輸電技術(shù)沒有感抗、容抗、同步等等的無功問題，電能損耗小，傳輸線路建設(shè)造價低，電壓分布平穩(wěn)，傳輸效率高，節(jié)能效果好，因此高壓直流輸電技術(shù)在大功率遠(yuǎn)距離輸電中具有明顯的優(yōu)勢，是電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的前沿技術(shù)，也是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

模塊化多電平換流器 （ modular multilevel converter ， MMC ）無需大量 IGBT 串聯(lián)、器件承受電壓變化率低、輸出波形諧波含量較低，已成為柔性直流輸電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和研究熱點。[4]MMC基于模塊化設(shè)計，可以實現(xiàn)電壓和功率等級的靈活變化，適合用于直流輸電。[5]具有對器件一致觸發(fā)動態(tài)均壓要求低、擴展性好、輸出電壓波形品質(zhì)高、開關(guān)頻率低、運行損耗低等諸多優(yōu)點。[6]縱觀目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所搭建的MMC樣機，其控制系統(tǒng)功能設(shè)計通常較為單一，通用性較差，難以實現(xiàn)MMC樣機全狀態(tài)運行變量的準(zhǔn)確控制和監(jiān)測;此外，現(xiàn)有工程樣機往往針對某一特定子模塊拓?fù)溟_發(fā)，在硬件上缺乏擴展能力。

因此在高校的實踐教學(xué)中，開展新型模塊化多電平換流器通用平臺的自制設(shè)計，實現(xiàn)多種電平柔性直流輸電，把電力電子及電力傳動技術(shù)和電力傳輸?shù)膽?yīng)用實踐相結(jié)合開展實踐研究，使高年級本科生和研究生更深層次地理解專業(yè)知識，為高年級本科生和研究生的教學(xué)研究，提供了實踐應(yīng)用平臺，對于提高高壓直流輸電的研究水平，探索高壓直流輸電的新技術(shù)，培養(yǎng)高壓直流輸電的科研技術(shù)人才都有積極的促進作用。

1新型MMC通用平臺的設(shè)計實踐

在設(shè)計實踐中包含對新型MMC通用平臺的原理認(rèn)識，設(shè)計制作和運行分析三個方面的實踐工作。

1.1 新型MMC通用平臺的工作原理

HVDC輸電以其在長距離大容量輸電、海底電纜輸電和非同步聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用，高壓直流輸電的核心設(shè)備是換流器，換流器是實現(xiàn)交直流電相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備，當(dāng)其工作在整流（ 或逆變） 狀態(tài)時，又稱為整流器（ 或逆變器）。 [7]已有的電壓源換流器高壓直流輸電（voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC—HVDC）是一種基于電壓源換流器和自關(guān)斷器件的新型輸電技術(shù)，提高電網(wǎng)的電壓及頻率穩(wěn)定性，具有交流電流諧波含量低、直流電壓恒定等特點。[8]電壓源換流器開關(guān)頻率過高而導(dǎo)致的較大損耗、電壓等級低、絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）器件串聯(lián)引起的靜態(tài)、動態(tài)均壓和電磁干擾等，3電平、多電平拓?fù)渚哂休敵鎏匦圆睢㈦y以模塊化生產(chǎn)，需要大量額外的獨立直流電源，并且其拓?fù)渲胁淮嬖诠驳闹绷髡⒇?fù)極母線，因而不適用于高壓直流輸電領(lǐng)域。[9]MMC克服了VSC的技術(shù)難題，目前半橋和全橋MMC是高壓大功率柔性直流輸電的熱點研究對象，MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比VSC技術(shù)的2電平和3電平拓?fù)浜茫绕涫潜苊饬薞SC輸出特性差的缺點，MMC能夠有效降低能量損耗。圖1是MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。[9]

圖1中子模塊的開關(guān)狀態(tài)如表1所示。

MMC具有半橋型電路和全橋型電路的應(yīng)用模式。半橋型MMC損耗小，全橋型MMC輸出三種電平，可以解決直流側(cè)短路的故障。[10]但是柔性直流輸電的高壓大功率電網(wǎng)中，電壓等級高，子模塊數(shù)目多，測試工作量大，這是研制新型MMC通用平臺的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.2設(shè)計制作

在新型MMC通用平臺的工程設(shè)計制作中，需要完成平臺的配置，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立和通信方案制作3個方面的工作。

1.2.1 新型MMC通用平臺的配置

MMC在高壓直流輸電的電網(wǎng)中工作時，由多個控制器協(xié)調(diào)工作、信息交互量大，為此建立的系統(tǒng)配置如圖2所示。

主要的參數(shù)如表2所示。

1.2.2 新型MMC通用平臺的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC的工程設(shè)計的需要滿足電壓等級高，系統(tǒng)容量大，子模塊數(shù)目多，可靠性要求高，測試組裝工作量大，控制系統(tǒng)復(fù)雜等要求。實現(xiàn)直流電壓2KV，額定容量100KW的系統(tǒng)參數(shù)中工作。通過集成化可控設(shè)計和層次化MMC通信方案實現(xiàn)新型MMC通用平臺的設(shè)計。

在設(shè)計集成化的可控設(shè)計采用的T型全橋模塊如圖3所示，集成化功能模塊，靈活可控。

對圖3所示的T型全橋通過拓?fù)渲貥?gòu)，衍生出不同的子模塊拓?fù)溥\行工作，制作了25電平MMC工程樣機。同時在MMC控制部分合理安排輸入輸出通道制作板卡式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)主控制器硬件靈活配置，滿足后期擴展的需要。

1.2.3 新型MMC通用平臺的通信方案

根據(jù)圖2中新型MMC通用平臺的系統(tǒng)配置，在MMC控制系統(tǒng)中根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的需要，采用層次華通信的方案，如圖4所示，模塊分類，串行通信，提升數(shù)據(jù)容量和可靠性。

在圖4中，根據(jù)通信時序和優(yōu)先級別，對MMC控制系統(tǒng)按照層次化通信方案劃分為模組控制、站點控制和站級控制三個層次，采用串行通信工作方式，提升信息傳輸?shù)娜萘亢涂煽啃浴Ｆ渲心＝M控制和站點控制之間采用光纖通信，站級控制和站點控制采用網(wǎng)線通信，融合了集中控制與分布式控制的優(yōu)點。

1.3 運行分析

新型MMC通用平臺的總設(shè)計的子模塊的輸出電壓為橋臂電壓的1/N，N為子模塊的數(shù)目，輸出電流為橋臂電流。如圖5所示。

圖5中的子模塊的輸出包含直流和交流分量。子模塊A相電壓和電流的計算公式為：

在整流和逆變時的電壓、電流波形如圖6所示。可以看出子模塊電流均包含直流分量和交流分量，由此導(dǎo)致子模塊電容存在基頻和二倍頻電壓波動，其電容電壓波動大小與實際應(yīng)用是一致的，說明新型MMC通用平臺的運行符合實際應(yīng)用中直流輸電的需要。

圖6 新型MMC通用平臺子整流和逆變時電壓、電流波形

2新型MMC通用平臺的設(shè)計實踐效果

2.1 解決實踐難題

新型MMC通用平臺利用全橋子模塊及其擴展拓?fù)浼蓪崿F(xiàn)25電平柔性直流輸電，滿足平臺通用性和可擴展的需求，采用串行通信的MMC層次化控制方案，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俣龋滦蚆MC通用平臺解決了柔性直流輸電的高壓大功率電網(wǎng)中，電壓等級高，子模塊數(shù)目多，測試工作量大的技術(shù)難題，把電力電子及電力傳動技術(shù)和電力傳輸?shù)膽?yīng)用實踐相結(jié)合開展實踐設(shè)計，不僅推動科研人員的工作實踐能力的提高，而且達(dá)到了很好的技術(shù)實踐效果。

2.2 自制設(shè)備提供研究平臺

設(shè)計的新型MMC通用平臺把電力電子及電力傳動技術(shù)和通信、電子信息方面的專業(yè)知識結(jié)合起來，為高壓直流輸電的理論聯(lián)系實踐提供了良好的研究平臺。新型的MMC通用平臺，使得進一步研究和探索高壓直流輸電技術(shù)成為可能，尤其在客戶化應(yīng)用中，針對不同發(fā)電環(huán)境的復(fù)雜情況做靈活配置，解決工業(yè)應(yīng)用的實際問題提供了良好的測試平臺和應(yīng)用前景，而且為高年級本科生和研究生成為高壓直流輸電技術(shù)的專業(yè)科研力量，提供了人才培養(yǎng)平臺。

3結(jié)語

大學(xué)創(chuàng)新教學(xué)旨在實現(xiàn)“讓每一位學(xué)生發(fā)自內(nèi)心地學(xué)習(xí)”， 實踐法是促進或檢驗學(xué)生知識掌握與應(yīng)用情況的重要方法。[11]自研自制新型MMC通用平臺的設(shè)計，利用全橋子模塊及其擴展拓?fù)浼蓪崿F(xiàn)25電平柔性直流輸電，滿足平臺通用性和可擴展的需求，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俣龋谥骺刂破饔布O(shè)計方面實現(xiàn)了控制器資源的靈活配置，實踐表明，設(shè)計新型MMC通用平臺實現(xiàn)了工程應(yīng)用和專業(yè)知識的有效結(jié)合，不但提高了高年級本科生和研究生的科研能力，而且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、對新技術(shù)開展實踐探索。既可以調(diào)動專業(yè)探索的科研興趣，又能夠把研究成果應(yīng)用于工程實踐，實現(xiàn)科研成果的實際轉(zhuǎn)化，具有重大的社會實踐意義。

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