海上風電柔性直流送出換流站MMC換流閥損耗研究

李浩原,彭開軍,王江天,劉 超,李文津,周思遠,周國梁

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司,湖北 武漢 430071)

0 引 言

近年來,中國近海海上風電開發已趨飽和,海上風電開發逐步向大容量機組、遠離海岸方向發展,成為中國風電產業發展新的增長點。隨著風電場容量不斷增大以及海上風電場離岸距離不斷增加,柔性直流輸電成為遠海大容量風場電力送出的首選方案[1-5]。目前海上風電柔性直流送出在世界范圍都得到了廣泛的應用,在歐洲僅德國就有多個海上風電柔性直流送出工程已投入運行。中國首個海上風電柔性直流送出工程——“三峽新能源江蘇如東海上風電場柔性直流輸電工程”已于2021年12月投入運行。中國第二個海上風電柔性直流送出工程——“三峽陽江青州五、青州七海上風電場海纜集中送出工程”已在工程實施中,輸電容量為2000 MW,直流電壓等級為±500 kV。

對于海上風電柔性直流送出工程而言,損耗率是送出系統的一個重要指標。一個1000 MW的風電場損耗減小0.1%,則每年可多送出8.76 GWh的電能,可見降低損耗有著較為可觀的經濟效益。同時,對柔性直流系統損耗的準確計算,可為整個輸電系統的傳輸效率評估提供依據。因此對柔性直流輸電系統損耗的研究具有重要的工程實際意義,而柔性直流系統損耗中,模塊化多電平換流器(modular multilever converter,MMC)換流閥的損耗占主要部分,可為換流閥子模塊開關器件的選擇和換流閥散熱設計提供參考[6-7]。在設計階段,柔性直流系統損耗無法通過測量得到,因此需要研究一種方法對換流閥損耗和開關器件溫度進行計算。

針對MMC換流閥損耗,國內外學者進行了一系列的研究工作。文獻[8]采用分段解析公式的方法,給出了MMC子模塊器件通態損耗和開關損耗的計算公式。文獻[9]運用電路分析,給出了開關器件IGBT的并聯模型,該模型為MMC換流閥損耗的近似估算提供了理論基礎。文獻[10]推導了開關器件的電流平均值和有效值計算方法,研究了開關器件的結溫變化特點并給出了計算結溫的方法。文獻[11]給出了半橋子模塊通態和開關損耗的計算方法,并基于其提出的換流閥子模塊熱模型,給出了MMC的可靠性分析和壽命評估的數據支撐。文獻[12]采用數據擬合的方法得到了便于工程應用的MMC損耗計算公式,并針對廈門柔性直流輸電工程計算結果進行了分析對比。文獻[13]在調研電力電子設備損耗測量技術的基礎上,提出了MMC換流閥功率模塊損耗測量試驗方法,為柔性直流工程中功率模塊損耗測試提供了參考。文獻[14]對MMC在正弦脈寬調制方式下子模塊上下管開關器件的投入概率進行分析,推導了上下管開關器件等效電流的表達式,解析出上下管開關器件的平均電流和有效電流。文獻[15]對比分析了采用4500 V/1500 A和4500 V/3000 A器件的情況下,4種適用于±500 kV/3000 MW柔性直流輸電換流器的組合式MMC拓撲損耗特性。文獻[16]在現有解析計算法的基礎上,進一步精確推導得到涵蓋系統工況及器件特性的損耗計算通用表達式。文獻[17]針對控制環節中加入二次環流抑制和三倍頻電壓注入的半橋-全橋子模塊混合型MMC,對換流閥的損耗進行了分類并給出了計算方法。文獻[18]提出了一種適用于多種子模塊拓撲,能夠準確計算不同均壓策略、不同運行工況下的換流閥損耗的方法,尤其解決了排序算法下附加開關損耗計算困難的問題。文獻[19]推導了疊加三次諧波后換流閥的損耗計算公式,詳細分析了三次諧波疊加率對換流閥損耗的影響。

海上風電柔性直流送出已成為研究熱點,但關于海上風電柔性直流輸電系統MMC換流閥損耗的研究較少,且現有文獻沒有較為系統地分析換流閥損耗的影響因素和優化措施。因此,下面基于目前較為常見的輸電容量為1000 MW的海上風電柔性直流送出工程及其主回路參數和常用的半橋子模塊拓撲,研究了海上風電柔性直流送出工程換流閥損耗的計算方法和原理,計算了MMC換流閥損耗,并研究了MMC換流閥損耗影響因素,給出了減小損耗的優化建議。

1 海上風電柔性直流送出系統拓撲結構與參數

用于遠距離大規模海上風電并網的柔性直流常用系統接線如圖1所示。對于容量為1000 MW的海上風電柔性直流送出工程,一般均采用對稱單極結構,直流極線電壓多采用±320 kV。目前常用的海上風電柔性直流送出系統總體包含以下幾個部分:海上風電場、海上升壓站(若采用66 kV直接接入則無海上升壓站)、海上換流站、直流海纜、陸上換流站、陸上交流系統。運行方式為:風電場電能匯集后,經海上升壓站升壓至220 kV,由220 kV交流海纜送至海上柔性直流整流站;再通過高壓直流海纜送至陸上柔性直流逆變站;最后,逆變為500 kV交流電接入陸上電網系統。

圖1 海上風電柔性直流輸電系統拓撲

對于直流極線電壓為±320 kV,輸電容量為1000 MW的海上風電柔性直流輸電系統,換流站主設備參數如表1所示。

表1 ±320 kV/1000 MW換流站主設備參數

2 MMC換流閥損耗計算方法

關于MMC換流閥損耗計算,已有IEC標準予以規定,參考IEC 62751-2:2014。MMC換流閥總損耗包含9個部分,各部分損耗計算方法如下:

1)IGBT導通損耗PV1

子模塊中IGBT的通態損耗是其內部T1和T2兩個IGBT通態損耗之和,如式(1)所示。

(1)

式中:Ntc為MMC換流閥子模塊總數;V0T為IGBT平均閾值電壓;R0T為IGBT平均斜率電阻;IT1av_j為子模塊j中的T1平均電流;IT2av_j為子模塊j中的 T2平均電流;IT1rms_j為子模塊j中的 T1電流有效值;IT2rms_j為子模塊j中的 T2電流有效值。

從式(1)可以看出,影響IGBT導通損耗的兩個重要器件參數是R0T和V0T,可由IGBT的VCE-IC曲線計算而得,如圖2所示。

圖2 VCE-IC典型關系曲線

2)二極管導通損耗PV2

反并聯二極管D1和D2的導通損耗計算公式為

(2)

式中:V0D為二極管平均閾值電壓;R0D為二極管平均斜率電阻;ID1av_j為子模塊j中的D1平均電流;ID2av_j為子模塊j中的D2平均電流;ID1rms_j為子模塊j中的D1電流有效值;ID2rms_j為子模塊j中的D2電流有效值。

與IGBT類似,二極管的損耗受R0D和V0D的影響,這兩個參數可由器件的VF-IF曲線計算而得,計算方法與IGBT類似,如圖2所示。

3)其他導通損耗PV3

在MMC換流閥中,PV3一般指連接銅排或導線等的電阻造成的損耗,數值很小,一般可以忽略不計。

4)與直流電壓相關的損耗PV4

對于MMC換流閥,PV4一般為與子模塊電容并聯的均壓電阻的損耗。

5)直流電容損耗PV5

子模塊內部的直流電容器的損耗由電容器內部金屬化膜電極損耗、內部引線損耗和電介質損耗構成,該部分損耗的等效電阻可由金屬化膜電容器的等效串聯電阻(equivalent series resistance,ESR)表示。

開關損耗是器件導通和關斷過程中的動態損耗。IGBT導通和關斷的過程也都是非理想的,都分別有一個電壓下降電流上升和電流上升電壓下降的短暫重疊過程,電壓電流的乘積導致能量的損耗,也就是IGBT的開關損耗。

IGBT的開關總損耗為開通能量Eon和關斷能量Eoff之和,如式(3)所示。

Eoff,T1_j,k+Eoff,T2_j,k)

(3)

式中:Ns為在積分時段ti內每個MMC閥所經受的開關周期(開通或關斷)次數;Eon,T1_j,k為子模塊j中的T1在第k個開通事件中的開通能量損耗;Eon,T2_j,k為子模塊j中的T2在第k個開通事件中的開通能量損耗;Eoff,T1_j,k為子模塊j中的T1在第k個關斷事件中的關斷能量損耗;Eoff,T2_j,k為子模塊j中的T2在第k個關斷事件中的關斷能量損耗;ti為仿真中積分時間(不小于1 s)。

二極管的關斷總損耗為閥中所有子模塊中的D1和D2反向恢復能量Erec的和,積分時段為ti,如式(4)所示。

(4)

式中:Ns為在積分時段ti內每個MMC閥所經受的開關周期(開通或關斷)次數;Erec,D1_j,k為子模塊j中的D1在第k個關斷事件中的恢復能量損耗;Erec,D2_j,k為子模塊j中的D2在第k個關斷事件中的恢復能量損耗。Eon、Eoff和Erec的計算公式為

(5)

式中:VCEN、VDN分別為IGBT和二極管的額定電壓;VSM為子模塊電容電壓;ion_T、ioff_T分別為IGBT開通和關斷時刻的電流;ioff_D為二極管關斷時的電流;ρTon、ρToff、ρDrec為結溫修正系數;a1、b1、c1、a2、b2、c2可由IGBT器件開關能量特性曲線擬合得到;a3、b3、c3可由二極管器件反向恢復能量特性曲線擬合得到。

下面再考慮I2，值得留意的是，在這部分里，因為中是有奇點的，所以在做估計中需要注意到這點，利用Q(f，f)的弱形式(5)式，

圖3為4.5 kV/3 kA IGBT開/關能量曲線。一般器件參數表會給出Eon-IC曲線、Eoff-IC曲線,但未給出Eon與集電極電流IC的關系式及Eoff與IC的關系式。

圖3 IGBT開關能量函數曲線

計算IGBT的開關損耗時,需要利用曲線擬合得到參數a1、b1、c1和a2、b2、c2。而二極管器件參數表會給出關斷能量與電流的關系曲線,如圖4所示,故可以得到擬合系數a3、b3、c3。圖5示例了對IGBT開通能量與關斷能量擬合的結果;圖6示例了對二極管關斷能量擬合的結果。

圖4 二極管反向恢復能量函數曲線

圖5 IGBT開關能量函數曲線擬合

圖6 二極管反向恢復能量函數曲線擬合

7)緩沖電路損耗PV8和功率模塊控制板卡損耗PV9

目前的MMC換流閥通常不含緩沖電路,因此該部分損耗PV8可不計。

MMC閥功率模塊控制板卡損耗包括IGBT驅動及其相關輔助電路電源、監測裝置、測量裝置等。在MMC換流閥中,閥電子電路統一由取能電源供電,取能電源由直流電容供電,通過測量取能電源的輸出功率就可以得到PV9。

8)器件結溫修正

為精確評估閥損耗,需要得到閥損耗計算時刻的PN結溫度。圖7給出的熱路圖可用于推算PN結的溫度,它將IGBT和二極管的損耗等值為兩個熱源,而PN結與器件外殼之間的熱傳遞過程則用熱阻Zth(JC_T) 和Zth(JC_D)表示。圖中:Zth(JC_T)、Zth(CS_T)分別為IGBT器件、底板及散熱器間的熱阻,可查詢器件參數表獲得;Zth(JC_D)、Zth(CS_D)分別為二極管器件、底板及散熱器間的熱阻,可查詢器件參數表獲得;TS為散熱器溫度。

圖7 器件結溫、底板和散熱器間熱路

由于開關器件工作溫度與損耗功率存在耦合關系,因此需要采用迭代計算的方法獲得。計算過程中,先給定開關器件初始結溫TJ_T、TJ_D(見圖7,初次計算設定值同底板溫度),再根據圖8步驟,得到修正溫度替代初始溫度,重復計算閥損耗直到兩者相等,完成迭代過程確定損耗功率PT、PD的終值,同時可得到開關器件的溫度。

圖8 溫度迭代流程

9)MMC換流閥總損耗

通過上面各部分的損耗計算,最終可得到MMC換流閥的總損耗PMMC=PV1+PV2+PV3+PV4+PV5+PV6+PV7+PV8+PV9。

3 MMC換流閥損耗仿真計算

由于MMC換流閥的工作模式復雜,僅靠公式分析很難獲得一些必要的輸入參數,例如功率器件的電流和開關能量等,因此可采用仿真方法獲得。仿真需要根據工程實際拓撲和主回路參數建立精確的電磁暫態仿真模型,控制策略也應與工程實際相符。

采用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件,根據表1的換流站參數和圖1的拓撲結構建立較為精確的電磁暫態仿真模型。通過仿真計算獲得功率器件任意時刻的電壓、電流和開關狀態,作為計算的重要輸入參數;同時考慮功率器件的結溫,選取實際結溫對應的閾值電壓、斜率電阻以及開關能量等開關器件參數,參照IEC 62751-2標準給出的公式計算得到MMC換流閥的損耗。

MMC換流閥在穩態運行時,可認為各橋臂子模塊的損耗特性相同。為了準確計算子模塊損耗,需對子模塊投入和切除過程中的開關狀態有準確的掌握,對于半橋子模塊,其工作狀態不同引起的不同損耗分布有4種情況,見圖9和表2所示。

表2 子模塊開關能量

圖9 半橋子模塊損耗分布

針對±320 kV/1000 MW海上風電柔性直流送出工程換流站換流閥進行損耗計算,結果見表3。計算中取換流器調制比為0.85,子模塊開關頻率控制約為100 Hz。

表3 ±320 kV/1000 MW海上風電柔直送出工程換流站換流閥損耗

由表3的計算結果可見,在MMC換流閥子模塊損耗中,開關器件導通損耗約占70%,開關器件開關損耗約占22%,均壓電阻和電容器損耗約占8%,其余損耗部分基本可忽略。送受端換流站換流閥總損耗率為1.078%。

同時,MMC換流閥在整流狀態時,二極管導通損耗占比較大;在逆變狀態時,IGBT導通損耗占比較大。該現象是由于整流和逆變狀態下換流器橋臂電流直流偏置方向不同導致的。

4 MMC換流閥損耗影響因素研究

針對海上風電柔直送出工程MMC換流閥,研究聯接變壓器閥側三次諧波注入、換流器調制比和直流極線電壓對換流閥損耗率的影響,提出降低換流閥損耗的建議。

4.1 聯接變壓器閥側三次諧波注入

圖10給出了在±320 kV/1000 MW送端換流站聯接變壓器閥側注入三次諧波后,送端換流站損耗率計算值。

圖10 三次諧波注入對換流閥損耗的影響

由圖10計算結果可見,隨著注入三次諧波幅值的增大,換流閥損耗率減小,主要體現為器件導通損耗和開關損耗的減小。與表3送端站損耗率0.543%相比,注入三次諧波即可減小損耗率。因為在聯接變壓器閥側投入三次電壓諧波注入策略后,在直流極線電壓不變的情況下,可以抬高換流器輸出交流線電壓有效值;在輸送容量和直流電壓不變的情況下,可以降低交流電流的有效值和平均值,從而可以降低子模塊損耗。因此,在條件允許的情況下,應考慮在聯接變壓器閥側注入三次電壓諧波,從而減小換流閥損耗率。

4.2 改變調制比

圖11給出了不同換流器調制比情況下,±320 kV/1000 MW送端換流站換流閥損耗率的對比。

圖11 調制比對換流閥損耗的影響

由圖11的計算結果可見,隨著調制比的增大,橋臂電壓升高的同時橋臂電流降低,橋臂電流減小后,流過開關器件的電流有效值和瞬時值均減小,進而通態損耗和開關損耗減小,使總損耗減小。因此,為了減小換流閥損耗,可采用較高的調制比。

4.3 直流極線電壓的影響

在海上風電柔性直流送出工程的可行性研究階段,會針對工程輸電容量對直流電壓等級進行選擇。1000 MW海上風電柔性直流送出可能采用的3個電壓等級為±250 kV、±320 kV和±400 kV。針對這3個電壓進行換流閥損耗率計算,均采用對稱單極接線和半橋子模塊拓撲。±250 kV和±400 kV兩種情況下的換流站主設備參數見表6,±320 kV的換流站主設備參數見表1。

表6 主設備參數

計算得到的送端站換流閥損耗情況如圖12所示。3種工況均取調制比為0.85,不考慮三次諧波注入。

圖12 直流極線電壓對換流閥損耗的影響

由圖12計算結果可知,當輸電容量一定時,柔性直流輸電系統換流器的損耗與輸電電壓密切相關。當輸電電壓減小時,閥模塊數減少,但是橋臂電流增大,單個子模塊損耗增大;當輸電電壓增大時,模塊數增大,但是橋臂電流減小,單個子模塊損耗減小。在所計算的常用電壓等級下,隨著電壓等級從±250 kV增加至±400 kV,送端站換流閥損耗率從0.558%減小到0.540%。可見在給定輸電容量的情況下,選擇較高的直流電壓等級可以降低換流閥損耗。

5 結 論

上面針對海上風電柔性直流送出工程,在PSCAD/EMTDC中建立電磁暫態仿真模型,進行了MMC換流閥損耗計算研究,主要工作和結論如下:

1)結合IEC 62751-2,給出了MMC換流閥損耗計算方法和關鍵計算參數的獲取方法。

2)針對典型直流電壓和輸送容量的±320 kV/1000 MW海上風電柔性直流送出工程,建立電磁暫態仿真模型計算了送端換流站和受端換流站的損耗率,計算結果表明總損耗中器件導通損耗約占70%,開關損耗約占22%,均壓電阻和電容器損耗約占8%。送受端換流站換流閥總損耗率為1.078%。

3)研究了MMC換流閥損耗率的影響因素,計算結果表明:聯接變壓器閥側注入三次諧波電壓幅值越大,換流閥損耗越小;換流器調制比越大,換流閥損耗越小;在給定容量的情況下,提高直流極線電壓,可以降低換流閥損耗。