模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊電容計算方法

模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊電容計算方法

0子模塊電容取值研究此前，世界上11個使用高壓直梯的裝置（cc-hvdc）在全球范圍內(nèi)完成了電壓源轉(zhuǎn)換器（v）。應(yīng)用于直流輸電工程的電壓源換流器(voltagesourceconverter,VSC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩電平、三電平及模塊化多電平。其中,模塊化多電平VSC是2002年由德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)提出的。2004年17電平2MW的樣機(jī)在該大學(xué)的電力電子實驗室研制成功。模塊化多電平電壓源型換流器(modularmulti-levelconverter,MMC)通過子模塊串聯(lián)構(gòu)成換流閥,易于擴(kuò)展,諧波畸變小,開關(guān)損耗低,適用于高電壓大功率場合,具有廣闊的應(yīng)用前景。因此MMC一經(jīng)問世便受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注,MMC在電力牽引、電機(jī)拖動及直流輸電領(lǐng)域的應(yīng)用已被廣泛研究。2010年,由西門子公司承建的第1項應(yīng)用MMC的柔性直流輸電工程將在美國加利福尼亞州的匹茲堡和舊金山之間實現(xiàn)海底直流電纜聯(lián)網(wǎng),旨在解決輸電走廊緊張對電網(wǎng)擴(kuò)建的限制,消除輸電瓶頸,并增強(qiáng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性和可靠性。目前,對于MMC的研究主要集中在運行特性、調(diào)制策略和控制方法3個方面。文獻(xiàn)[10-13]給出了MMC的基本數(shù)學(xué)關(guān)系,研究了MMC的調(diào)制策略和電壓平衡控制方法。文獻(xiàn)研究了MMC的環(huán)流機(jī)制,并給出了環(huán)流大小與橋臂電感值的關(guān)系。文獻(xiàn)[15-17]給出了MMC的開關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型,側(cè)重于MMC換流器及其應(yīng)用于直流輸電的控制方法研究。文獻(xiàn)對模塊化多電平電壓源換流器直流輸電系統(tǒng)(modularmulti-levelconverterhighvoltagedirectcurrent,MMC-HVDC)子模塊電容值的計算方法進(jìn)行了初步研究,根據(jù)穩(wěn)態(tài)下子模塊電壓波動不能超過某一定值的原則確定電容值,但沒有充分考慮子模塊電壓的波動與運行狀態(tài)的關(guān)系。文獻(xiàn)[19-21]研究了靜止同步補(bǔ)償器(staticsynchronouscompensator,STATCOM)以及兩電平柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)電容的設(shè)計方法。與MMC-HVDC在能量交換方面類似,當(dāng)直流系統(tǒng)有功功率平衡時,電容電壓穩(wěn)定在額定值附近,電壓的波動由無功功率交換引起。當(dāng)直流系統(tǒng)有功功率不平衡時,電容電壓會上升或下降,因此這種設(shè)計思路可以借鑒。本文從子模塊電壓穩(wěn)態(tài)波動、暫態(tài)波動、直流系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性及直流雙極短路時的設(shè)備安全裕度4個方面全面分析子模塊電容取值的原則和計算方法。用本文總結(jié)的設(shè)計方法計算15電平MMC-HVDC系統(tǒng)子模塊電容值,并在PSCAD電磁暫態(tài)仿真模型上對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、動態(tài)特性及直流雙極故障時橋臂電流上升速度進(jìn)行驗證。1閥口、換流站MMC-HVDC單站的系統(tǒng)拓?fù)湟妶D1。另一站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同。圖中:交流系統(tǒng)用等值電源us和等值電感Ls表示,usa、usb和usc分別為A、B、C三相等值電源;聯(lián)接變壓器用等值電感LT表示;閥電抗器用電感L表示;換流站損耗用req表示;T1和T2為絕緣柵雙極晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)器件;D1和D2為續(xù)流二相管;C0為子模塊電容;u0為子模塊電容電壓。換流器由3個相單元組成,每相上、下橋臂由偶數(shù)個子模塊串聯(lián)而成,橋臂等效為可控電壓源,通過控制子模塊的投入與切出擬合出期望的交流輸出電壓。三相調(diào)制波相差120°,保證交流輸出電壓三相對稱,一個相單元每一時刻投入的子模塊數(shù)固定,上下橋臂共投入n個子模塊,維持直流電壓恒定。2電容器對換流器放電的影響通過換流器的功率包括有功功率和無功功率。為了保持子模塊電容電壓的平衡,進(jìn)入換流器的有功功率應(yīng)等于送出的有功功率與換流器損耗的有功功率之和,否則多余或不足的能量引起子模塊電容儲能的變化將造成電容電壓上升或下降。輸入換流器的無功功率則會引起子模塊電容電壓的波動。1個周期內(nèi)充電的能量與放電的能量相等。換流器6個橋臂的工作規(guī)律相同,可以以a相上橋臂為例進(jìn)行分析。MMC相單元電氣等值圖見圖2。圖中:箭頭方向為各電氣量的正方向;us表示換算到聯(lián)接變閥側(cè)的系統(tǒng)相電壓;ua、ia分別表示換流器交流出口相電壓、相電流;ua1、ia1分別表示上橋臂電壓、電流;ua2、ia2分別表示下橋臂電壓、電流;upo、uno分別表示直流正極、負(fù)極母線電壓;udc、idc分別表示直流電壓、直流電流。令U和I表示上述瞬時值的有效值或直流分量,a相上橋臂充電功率為橋臂電壓和電流等于其中ua和ia均為正弦量,不妨設(shè)忽略換流器的損耗,根據(jù)輸入輸出換流器的有功功率平衡可以作如下假設(shè):式中M是換流器的調(diào)制比。于是pa1可以寫成橋臂充電功率仿真波形見圖3。當(dāng)pa1為正時,給投入的子模塊電容充電,當(dāng)pa1為負(fù)時,投入的子模塊電容放電。分析式(5)可知,pa1最多有3個過零點,分別為對于MMC拓?fù)?橋臂輸出的最大交流電壓不會超過直流電壓,M不會超過1,因此1個工頻周期內(nèi),橋臂的充電或放電能量為分析式(7)可知,橋臂充電或放電能量與換流器的運行狀態(tài)有關(guān)。換流器的視在功率越大,橋臂充電或放電能量越大;換流器的功率因數(shù)越小,橋臂充電或放電能量越大;換流器的調(diào)制比越小,橋臂充電或放電能量越大。當(dāng)直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)交換額定功率時,橋臂充電或放電的能量應(yīng)大于換流器不滿載的情況。因此式(7)可以改寫為式中UN為交流公共聯(lián)接母線線電壓有效值。綜合來看,換流器工作在STATCOM狀態(tài)時,子模塊電容電壓波動最大,如圖4所示。如果電容器的電容值能在這種狀態(tài)下抑制子模塊電壓波動在允許的范圍內(nèi),則在任何狀態(tài)下子模塊電壓波動都能滿足要求。設(shè)1個周波內(nèi)子模塊電容電壓為U0,其波動為ε,則滿足抑制子模塊電容電壓波動不超過ε的電容值為3系統(tǒng)的無功功率柔性直流輸電系統(tǒng)的有功功率必須通過兩站的協(xié)調(diào)控制完成,輸入系統(tǒng)的有功功率等于輸出系統(tǒng)的有功功率加上直流系統(tǒng)損失的功率。直流系統(tǒng)中采用定直流電壓控制的換流站直流端電壓一定,采用定有功功率控制的換流站端電壓必須跟隨有功功率指令,設(shè)調(diào)節(jié)時間為τ,則4交流電流過積保護(hù)HVDC換流器的一個基本特性是能夠正常工作在接入交流系統(tǒng)所有現(xiàn)實狀態(tài)下——故障、不平衡或移相。如果運行狀態(tài)在設(shè)計范圍之外,在所有情況下,換流器都能通過暫時或永久閉鎖交流側(cè)斷路器跳閘,安全退出運行。交流電網(wǎng)發(fā)生接地故障時,在MMC拓?fù)涞膿Q流器中產(chǎn)生不平衡,聯(lián)接變壓器一般采用隔離零序的繞組類型,交流電網(wǎng)中的零序分量不會進(jìn)入換流器,不平衡電流導(dǎo)致橋臂電流不平衡,其中包括交流和直流分量?？刂葡到y(tǒng)必須能抑制橋臂之間的不平衡電流。對于特定的故障,為了支撐交流系統(tǒng),在規(guī)定的清除次數(shù)(或時間)以內(nèi),換流站不能閉鎖和跳閘。以逆變站接入的交流電網(wǎng)發(fā)生兩相短路故障為例,兩相短路故障下?lián)Q流器交流母線欠電壓,有功功率送出能力降低,同時換流器過流。整流站送出有功功率短時過剩,這將造成直流過電壓及子模塊電壓波動增大。因此,合理選擇子模塊電容值既可以躲過直流過壓保護(hù)值,又可以不損壞子模塊元件。故障后三相傳輸功率不對稱,三相橋臂電流的直流偏置和交流電流都和穩(wěn)態(tài)不同,交流電流既包括正序分量,也有負(fù)序分量。三相橋臂充電功率可以表示為橋臂電容器儲能對時間的微分與橋臂充電功率相等,從而得到式(13)(14)中i可以取a、b、c,表示A、B、C三相。5子模塊電容值對放電電流的保護(hù)作用故障時,兩側(cè)換流站都通過子模塊下部二極管D2向短路點注入短路電流,相當(dāng)于三相短路。同時子模塊電容器通過圖1的T1放電。橋臂電流是交流短路電流和子模塊電容器放電電流的疊加。橋臂電流在半個工頻周期內(nèi)達(dá)到峰值,子模塊和閥電抗器上都會過電流,幾ms后,換流器閉鎖,子模塊電容器停止放電,但交流電網(wǎng)短路電流仍通過D2注入短路點,閥電抗器要限制通過D2的短路電流上升速度,使保護(hù)晶閘管來得及動作,將D2旁路。閉鎖前,子模塊電容器要耐受過電流,對此設(shè)計時要予以考慮,否則會嚴(yán)重影響電容器的壽命。計算電路為2階振蕩放電電路。等值電感是橋臂電感值的2倍。等值電容是橋臂電容的2倍。忽略橋臂雜散電阻,設(shè)I0為故障時橋臂電流初始值,得到放電電流的表達(dá)式為式中由式(15)可知,故障初始半周波內(nèi),放電電流隨子模塊電容值增大而增大,隨橋臂電感值增大而減小。以15電平MMC-HVDC系統(tǒng)為實例,算例參數(shù)參見6.1節(jié),計算得到的橋臂電流初始值不同時故障后的放電電流見圖5。故障發(fā)生在橋臂電流達(dá)到正向峰值時的放電電流上升最快,且橋臂過流最嚴(yán)重。因此研究橋臂電流上升時間trise與子模塊電容值的關(guān)系時,將橋臂電流初始值取到最大,如圖6所示。固定放電電流初始值和橋臂電感值,子模塊電容值不同時放電電流的大小如圖7所示。由圖7可知,在3ms之前,子模塊電容值對放電電流的上升時間和大小并沒有顯著影響。受換流器功率傳輸能力的限制,橋臂電感的取值有上限,如果橋臂電感取最大值時,故障電流的上升時間依然不能滿足保護(hù)系統(tǒng)的要求,這就需要適當(dāng)減小子模塊電容值,滿足設(shè)備安全裕度的要求。于是,橋臂電流上升時間的最大值為6計算與分析6.1流公共連接點為驗證所提出的子模塊電容值的設(shè)計方法,本文對15電平MMC-HVDC的1個樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計,并利用PSCAD進(jìn)行了仿真分析。系統(tǒng)整流側(cè)參數(shù)如下:交流公共連接點(pointofcommoncoupling,PCC)母線電壓為105V,系統(tǒng)頻率f=50Hz,交流母線與MMC之間聯(lián)接變壓器變比為105V/331.8V,采用定有功功率和定交流電壓控制。系統(tǒng)逆變側(cè)參數(shù)與整流側(cè)參數(shù)相同,采用定直流電壓控制和定交流電壓控制。MMC容量為8.4kVA,每個橋臂由20個子模塊串聯(lián)組成,閥電抗器電感值L=14mH;直流線路等值電阻Rd=1Ω,交流系統(tǒng)等值短路阻抗Xs=0.314Ω。6.2節(jié)點電壓和放電電流時子模塊電壓平衡本文第2~5節(jié)給出了4個約束條件,通常根據(jù)前2個約束條件計算子模塊電容值,再對其是否滿足后2個條件進(jìn)行驗證。該15電平樣機(jī)系統(tǒng)要求子模塊電容穩(wěn)態(tài)電壓波動不超過±5%,對應(yīng)子模塊電容值不小于7mF;有功功率控制的響應(yīng)時間不超過5ms,對應(yīng)子模塊電容值不超過11mF。兼顧設(shè)備造價和體積,本文選擇子模塊電容值為7mF。系統(tǒng)采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直接電流控制策略。圖8(a)給出了Pref=1且Qref=0時子模塊電壓,圖8(b)給出了Pref=0且Qref=1時子模塊電壓。由圖8(a)(b)可知:電壓波動不超過±5%,即電壓分布在42.75~47.25V范圍內(nèi);Pref=0且Qref=1時的電壓波動大于Pref=1且Qref=0時的波動。這也驗證了上述理論分析的正確性。圖8(c)和圖8(d)分別給出了交流系統(tǒng)發(fā)生兩相短路和單相接地短路時子模塊電壓。由圖8(c)(d)可知,電壓波動不超過±10%。有功功率定值改變時系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖9所示。由圖9可知:當(dāng)有功功率定值從0pu增加到1pu時,直流電壓上升時間不超過5ms,并在10ms后穩(wěn)定;直流雙極故障時橋臂放電電流上升到60A的時間不超過2ms。0.5s故障后橋臂電流中電容放電電流的仿真波形見圖10。對比圖7和10可知,計算結(jié)果與仿真結(jié)果是一致的。7子模塊電容電壓波動大的原因本文提出了4項選取MMC-HVDC系統(tǒng)子模塊電容值的原則,并給出了計算方法。PSCAD電磁暫態(tài)模型仿真結(jié)果表明,本文的設(shè)計方法滿足MMC-HVDC系統(tǒng)運行特性能的要求,并得到如下結(jié)論:1)MMC-HVDC應(yīng)充分考慮直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量交換、暫態(tài)能量交換、動態(tài)響應(yīng)特性及故障后設(shè)備的安全裕度。2)穩(wěn)態(tài)子模塊電壓的波動大小取決于1個周期內(nèi)交換能量的多少。當(dāng)換流器運行在STATCOM狀態(tài)下時,子模