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)生的諧波會對電力系統(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)測方法將對電力系統(tǒng)分析與設(shè)計具有潛在的價值。

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)，是解決我國可再生能源問題的一種有效手段[2]。同時，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)與瞬時功率，可以建立模塊化多電平換流器的時域上的數(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子模塊電容的電壓電流的時域表達(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)。本模型采用六脈動模型，含三相共六個橋臂，每相由上橋臂和下橋臂各244個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。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)系下的時域數(shù)學(xué)模型為：

對上式進(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?？刂破鞑糠纸?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中各個子模塊的動態(tài)響應(yīng)，而視其為理想模塊，電壓實(shí)行的跳變。每個橋臂都等效為一個電壓源，電壓幅值為控制器計算出的參考電壓。

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，換流器擁有六個橋臂，每個橋臂由244個子模塊串聯(lián)構(gòu)成，即可以存在245個電平，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，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內(nèi)是恒定的，且上、下橋臂電流呈現(xiàn)互補(bǔ)特性。