PDF《系统配置及启动策略》

第2期模块化多电平换流器 MMC(modular multilevel converter)由Marquardt 教授于

2001 年提 出,是一 收稿日期:2017鄄10鄄27;

修回日期:2018鄄03鄄05 DOI:10.

13234/j.issn.2095鄄2805.2018.2.95 中图分类号:TM721 文献标志码:A 应用于智能配电网的子模块混联 MMC鄄HVDC 系统配置及启动策略 苏欣1,王h娇

2 ,施雨1,张 浩3,程 艳2,滕 玮2,王士柏

2 , 刘博1,王俏俏

1 ,张海龙

3 (1.济南供电公司,济南 250012;

2. 国网山东省电力公司电力科学研究院,济南 250002;

3. 西安许继电力电子技术有限公司,西安 710075) 摘要:为了提供更优的具备直流故障穿越能力的柔性直流输电系统方案,在多种子模块混联的模块化多电 平换流器系统基础上,提出了一种新型子模块混联 MMC鄄HVDC 系统配置方法及与其匹配的启动策略. 该系统 配置方法主要包括系统子模块数目配置方法及子模块内部参数配置方法两部分. 子模块数目配置方法能使换 流器在具备直流故障穿越能力、提升系统容量等优势的同时,尽量节约经济成本及减小系统损耗;

而子模块内 部参数配置方法则主要为了限制穿越过程中全桥子模块电压变化量,保证故障穿越能够正常进行. 由于不同子 模块选用了不同电容,传统 MMC鄄HVDC 系统的启动策略不再适用,因此提出了与配置方法相匹配的启动策略. 最后基于 Matlab/Simulink 搭建了 MMC鄄HVDC 双端系统仿真模型,验证了所提出的新型系统配置方法及其启动 策略的可行性和有效性. 关键词:模块化多电平换流器;

子模块混联;

系统配置;

启动策略 Configuration and Start鄄up Strategy of Sub鄄module Hybrid MMC鄄HVDC System for Intelligent Distribution Network SU Xin1 , WANG Yuejiao2 , SHI Yu1 , ZHANG Hao3 , CHENG Yan2 , TENG Wei2 , WANG Shibo2 , LIU Bo1 ,WANG Qiaoqiao1 ,ZHANG Hailong3 (1. Jinan Power Supply Company, Jinan 250012, China;

2. Electric Power Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250002, China;

3. Xi'

an Xuji Electric Technology Co., Ltd, Xi'

an 710075, China) Abstract: To provide a better scheme with DC fault鄄crossing capability for the voltage source converter based high voltage direct current(VSC鄄HVDC) transmission system, a novel configuration method and its matched start鄄up strategy are proposed for a sub鄄module hybrid modular multilevel converter鄄high voltage direct current(MMC鄄HVDC) system based on various sub鄄module hybrid MMC systems. The configuration method mainly includes two parts: one is the configuration method for the number of sub鄄modules, and the other is for the internal parameters of sub鄄modules. The first configuration method can save economic cost and reduce system loss while making the converter have the DC fault鄄crossing capability and improving the system capacity;

the second can limit the voltage variation of the full鄄bridge sub鄄module during the crossing process and guarantee the normal operation of fault鄄crossing. Since different sub鄄modules adopt different capacitors, the start鄄up strategy for the traditional MMC鄄HVDC system is not applicable, thus a novel start鄄up strategy is proposed to match the configuration method. Finally, a simulation model of a two鄄terminal MMC鄄HVDC transmission system is constructed in Matlab/Simulink, and simulation results show that the novel configuration method and the corresponding start鄄up strategy are feasible and effective. Keywords: modular multilevel converter;

sub鄄module hybrid;

system configuration;

start鄄up strategy 电源学报Journal of Power Supply Vol.16 No.2 Mar.

2018 第16 卷第2期2018 年3月总第

76 期电源学报种采用多个子模块级联的多电平电压源型换流器 拓扑[1鄄3] .最早由西门子公司在高压柔性直流输电领域 投入到工程应用中, 并引发了国内外的广泛关注[4鄄10] . 目前, 国内已建成包括±200 kV 舟山工程在内的

2 个基于 MMC 拓扑的柔性直流输电项目. 现有高压柔性直流输电的工程应用都是采用 半桥子模块级联构成桥臂, 传输线采用直流电缆. 该系统配置下, 当系统发生直流双极短路故障时, 只能闭锁换流器并跳闸交流断路器[11] ,不仅造成直 流停运,同时增加了故障清除后系统恢复重启的复 杂度. 将架空线引入柔性直流输电系统中,可以克 服直流电缆造价高、输送功率受限的缺点[12鄄14] ,但较 高的直流故障发生给直流输电系统的安全可靠运 行带来极大挑战[15-16] . 现有文献已经对具有直流故障穿越能力的柔 性直流换流器拓扑进行了大量研究. 大体可以分为

3 类:第1类是结合传统两电平变流器与模块化多 电平换流器 MMC 结构特点的混合式模块化多电平 换流器,包括 HCMC(hybrid cascaded multilevel co鄄nverter)拓扑和 AAMC(alternate鄄arm multilevel con鄄verter)拓扑等[17鄄18] ;

第2类是由钳位双子模块、全桥 式子模块 等具备直流 清除能力的子模块构成的MMC[19] . 该类子模块同时还包括二极管嵌位式双子 模块[20] 、钳位单子模块[21] 等;

第3类是由

2 种或多 种子模块混合级联构成的子模块混联 MMC 拓扑[22] . 第3类拓扑综合了多种子模块的优点,同时具备直 流故障穿越能力,提高直流电压利用率,降低系统 设备造价和损耗等诸多优点,受到了广泛关注. 本文在混合子模块式 MMC 拓扑的基础上提出 了一种新型系统配置方法,包括系统子模块数目配 置及子模块参数配置,且对该配置方法提供了匹配 的启动策略. 同时在 Matlab/Simulink 环境中搭建系 统仿真模型,验证了该新型系统配置方法及其启动 策略的可行性及有效性.

1 MMC鄄HVDC 系统简介 1.1 MMC 拓扑介绍 MMC 换流器拓扑结构如图

1 所示.它由三相

6 个桥臂组成,桥臂采用子模块级联的方式,均由 N 个子模块及

1 个电抗器串联构成. 同相的上下桥臂 构成

1 个相单元. 混合子模块 MMC 换流器的每个 桥臂由

2 种或多种子模块构成. 1.2 不同子模块介绍 现有文献为 MMC 拓扑提出了多种子模块拓 扑,但较为常用的为半桥子模块 HBSM(half bridge sub鄄module)、全桥子模块 FBSM(full bridge sub鄄mo鄄dule)和钳位双子模块 CDSM(clamping dual sub鄄mo鄄dule)3 类,其在件数、运行电压等方面的对比如表

1 所示. 子模块混联 MMC 系统能够综合利用不同子模 块的优点,如利用全桥子模块输出负电压的能力应 用于高直流电压利用率场合, 进而提升系统容量;

利用钳位双子模块和全桥子模块等子模块闭锁时 在故障电流下能提供反电势的能力以隔离交流系 统与直流故障点;

利用半桥子模块 IGBT 器件数少、 表13种子模块拓扑在器件数、运行电压等方面的对比 Tab.1 Comparison among three sub鄄module topologies in term of device number, running voltage, etc 拓扑 IGBT/ Diode 数量 引导 IGBT 数量 二极管 数量 电容 数量 电压 正常 运行 直流短 路闭锁 HBSM

2 0

0 1 Uc、0

0 FBSM

4 0

0 1 ±Uc、0 -Uc CDSM

4 1

2 2 2Uc、 Uc、0 -Uc 图1换流器拓扑 Fig.1 Structure of converter ua ub uc 桥臂HBSM FBSM CDSM m 个n个l个HBSM FBSM CDSM HBSM FBSM CDSM C T1 T2 HBSM FBSM CDSM HBSM FBSM CDSM HBSM FBSM CDSM usm usm usm T1 T2 T3 T4 D1 D2 C1 C2 T T1 T2 T3 T4 C

96 第2期苏欣,等:应用于智能配电网的子模块混联 MMC鄄HVDC 系统配置及启动策略 损耗低的优势降低成本, 该方面钳位双子模块次 之,全桥子模块最差. 1.3 直流故障穿越机理 直流双极短路故障发生后,会形成如图

2 所示 的故障回路, 若采用传统的由半桥子模块组成的 MMC 换流器, 交流系统会经过故障回路对直流故 障点馈入故障电流. 对电网稳定性造成影响,同时 会损坏换流阀等电气设备. 而采用本文所述的包含 全桥子模块和钳位双子模块的 MMC, 在故障发生 后对换流器进行闭锁,此时全桥子模块和钳位双子 模块在故障电流回路表现为一个电容电压的反电 势,系统等效电路如图

2 所示. 故障电流回路具体 由交流侧电势最高的一相(如图

2 中A相),经过 A 相上桥臂的桥臂电抗器、全桥子模块和钳位子模块 中的二极管及电容器,正极直流线路,系统直流短 路点,最后经交流侧电势最低的一相(如图

2 中C相)的桥臂电抗器、子模块二极管及电容器,流入交 流系统形成完整回路. 该回路中,全桥子模块和钳位双子模块中的电 容器均能提供反向电动势(如图

3、图4所示),当 单个桥臂的全桥子模块和钳位双子模块在直流短 路闭锁状态下产生的总反电势 (即电容电压和)超 过交流阀侧线电压的一半时,故障回路的电动势之 和将与故障电流呈反方向,从而可将故障电流抑制 为0,等待故障线路完成去游离后,重新解锁换流 器恢复故障前传输功率,即可实现直流故障穿越.

2 新型系统配置 2.1 系统子模块数目配置 系统子模块数目配置需要综合系统成本、损耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求. 通 过对各类子模块数目的优化配置,可以使换流器在 具备直流故障穿越能力、提升系统容量等优点的同 时,最大程度的节约经济成本及减小系统损耗. 前文已经说明,全桥子模块、钳位双子模块及 半桥子模块均具备不同的优势,因此根据需求本文 可能考虑到将 2~3 种子模块进行混合级联. 若单纯 采用半桥子模块和全桥子模块进行混合,则相对应 用钳位双子模块系统初期投资和系统损耗较大,若 单纯采用半桥子模块和钳位双子模块进行混合,则 不具备全桥子模块输出负电压的能力,不能应用于 高直流电压利用率场合. 采用 2~3 种子模块进行混合级联,将使装........