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        模塊化多電平換流器交流側(cè)預(yù)充電控制策略分析

        2016-04-14 07:42:59譚久俞楊洋
        電氣開關(guān) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:預(yù)充電橋臂換流器

        譚久俞,楊洋

        (東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林吉林132012)

        模塊化多電平換流器交流側(cè)預(yù)充電控制策略分析

        譚久俞,楊洋

        (東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林吉林132012)

        模塊化多電平換流器(MMC)啟動(dòng)過程前必須對(duì)子模塊中的電容器充電。為保證電容器的可靠充電,在分析MMC拓?fù)浼斑\(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上,針對(duì)交流側(cè)接有源系統(tǒng)的MMC,提出了包含不控充電過程和可控充電過程的兩階段充電方案。僅利用交流側(cè)有源系統(tǒng)就可使子模塊的電容電壓滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。利用MATLAB/ Simulink下搭建的仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了所提方案的正確性。

        模塊化多電平換流器;預(yù)充電過程;電容電壓;高壓直流輸電;

        1 引言

        近年來,隨著我國(guó)特高壓電網(wǎng)的不斷建設(shè),可再生能源并網(wǎng)容量的提高,更多遠(yuǎn)距離大功率設(shè)備的接入,高壓直流輸電技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。作為高壓直流輸電的核心元件,電壓源換流器也是當(dāng)今電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。電壓源換流器可以四象限運(yùn)行,有功功率和無功功率獨(dú)立控制,可以通過改變電流方向來時(shí)潮流翻轉(zhuǎn),其應(yīng)用前景十分廣闊[1]。目前,工程中應(yīng)用的大多是兩電平或者三電平變流器,這兩種變流器受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制,輸出特性差,諧波含量大,開關(guān)損耗較大[2],開關(guān)頻率高,受單個(gè)開關(guān)器件耐壓的限制,這些拓?fù)湫枰褂么罅块_關(guān)器件直接串聯(lián)的技術(shù),對(duì)個(gè)器件開通和關(guān)斷的一致性、串聯(lián)器件的均壓特性等要求很高[3]。

        由于兩電平或三電平換流器的種種缺陷,模塊化多電平換流器得到了越來越多的關(guān)注和研究。模塊化多電平換流器由參數(shù)完全相同的子模塊串聯(lián)而成,避免了二電平、三電平換流器的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴},同時(shí)通過控制導(dǎo)通的子模塊數(shù)量,就可以靈活的改變輸出電壓和功率大小,具有很小的諧波畸變,不需要安裝額外的濾波器[4],使其在柔性直流輸電領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)。作為MMC正常運(yùn)行的前提,預(yù)充電控制需要快速的將MMC中全部子模塊的電容充電至額定電壓,進(jìn)而建立額定的直流母線電壓。

        本文在原有預(yù)充電方案的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),針對(duì)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和子模塊中電容充電的特點(diǎn),提出了一種無需額外電源且可同時(shí)對(duì)多個(gè)電容充電的兩階段預(yù)充電方案,實(shí)現(xiàn)了對(duì)子模塊電容的快速充電。最終通過仿真驗(yàn)證該預(yù)充電方案簡(jiǎn)單可行,可以將電容電壓充到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓值。

        2 MMC工作原理分析

        三相MMC主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由六個(gè)橋臂組成,每個(gè)橋臂都是由N個(gè)子模塊和橋臂電抗器L串聯(lián)組成,上、下橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元,每個(gè)子模塊由兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管的IGBT和一個(gè)電容器組成。圖中,Udc為直流側(cè)正極和負(fù)極之間的電壓,idc為直流側(cè)電流;ina、inb、inc分別為a、b、c相下橋臂的電流,ipa、ipb、ipc分別為a、b、c相上橋臂的電流;ia、ib、ic分別為MMC交流側(cè)a、b、c相電流;流過子模塊的電流為i,電容電壓為Uc。

        圖1 MMC拓?fù)湟约白幽K結(jié)構(gòu)

        MMC的基本原理就是通過各個(gè)子模塊中T1和T2的配合,使得子模塊端口能夠輸出不同的電壓,將每個(gè)橋臂所有子模塊串聯(lián)后,可根據(jù)子模塊電壓的不同組合,獲得不同的橋臂電壓,上、下橋臂電壓的差值就是MMC輸出的電壓。為了保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定,每個(gè)相單元中上、下橋臂投入的子模塊數(shù)維持在n個(gè),通過改變這n個(gè)子模塊在該相上、下橋臂間的分配方式來獲得期望的交流電壓輸出[5]。

        表1 子模塊的工作狀態(tài)

        3 MMC預(yù)充電過程

        同傳統(tǒng)的兩電平變流器的啟動(dòng)過程相比,MMC不僅要建立交流側(cè)出口電壓,更重要的是建立額定的直流側(cè)電壓,即子模塊預(yù)充電過程,這一過程的復(fù)雜性會(huì)隨著子模塊數(shù)的增多而加劇。一般來說,實(shí)際工程應(yīng)用中,子模塊控制器從儲(chǔ)能電容器上取能,充電前電容無儲(chǔ)能,子模塊控制器無法正常工作。為此,我們需要對(duì)子模塊電容進(jìn)行預(yù)充電,使其滿足MMC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。當(dāng)MMC的交流側(cè)為有源系統(tǒng)時(shí),可以用交流系統(tǒng)對(duì)子模塊電容進(jìn)行充電,此充電過程可分為不控充電過程和可控充電過程,可使電容電壓上升至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行值。

        3.1 不控充電過程

        MMC不控充電電過程如圖2所示,其中,Udc為直流側(cè)正極對(duì)負(fù)極電壓,R為限流電阻。MMC閉鎖時(shí),交流側(cè)電流通過子模塊中反并聯(lián)二極管對(duì)電容進(jìn)行充電,為限制充電過程開始時(shí)的沖擊電流對(duì)電路的影響,可在交流側(cè)串入限流電阻,電阻的大小根據(jù)功率器件的耐流水平?jīng)Q定。在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于充電過程非常復(fù)雜,難以用公式精確求出限流電阻和電流的關(guān)系,因此可簡(jiǎn)化充電電路,忽略線路中電抗器作用,將充電回路等效為一階RC電路,得到充電回路中最大電流為:

        式(1)中,Up為相電壓峰值。實(shí)際中,可根據(jù)式(1)綜合考慮MMC裝置、電抗器、變壓器等的額定電流值來決定限流電阻的大小。

        圖2 不控充電過程

        由于二極管具有箝位作用,子模塊電容電壓的建立是一個(gè)累積的過程,充電電流隨著電容電壓的上升會(huì)逐漸減小。對(duì)有源側(cè)MMC而言,MMC各橋臂上的電壓為交流線電壓,電容充電的狀態(tài)可以視為一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)[6],所以有:

        式中,m為每個(gè)橋臂上子模塊的個(gè)數(shù);up為線電壓幅值;uc(t)為電容電壓;τ為時(shí)間常數(shù),τ=2RC/m。由(1)式可知,不控充電結(jié)束后電容電壓最大值為ucmax=up/m。MMC裝置正常運(yùn)行時(shí),直流側(cè)電壓為udC=nuSM,相電壓峰值為ua=Mudc/2,M為調(diào)制比,M≤1,考慮有冗余模塊設(shè)計(jì)時(shí),m>n,所以有

        綜上所述,MMC不控充電過程結(jié)束后,不考慮損耗,子模塊電容電壓與直流側(cè)電壓達(dá)不到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。為提高電容電壓,需要解鎖換流器,在控制器的作用下對(duì)電容進(jìn)行進(jìn)一步充電。

        3.2 可控充電過程

        不控充電過程結(jié)束以后,解鎖MMC換流器,使子模塊處于半閉鎖狀態(tài),當(dāng)流過子模塊的電流為正值時(shí),子模塊可能被投入,也可能被切除,解鎖T2的觸發(fā)脈沖,閉鎖T1的觸發(fā)脈沖,將橋臂上的幾個(gè)子模塊切除,剩余的子模塊電容將繼續(xù)被充電,直到橋臂上剩余的子模塊的電容電壓之和等于交流線電壓的幅值[7]。在橋臂上使用電容均壓控制策略,使子模塊電容電壓保持均衡。

        4 MMC預(yù)充電控制策略

        根據(jù)以上分析,對(duì)于連接有源交流系統(tǒng)的MMC,預(yù)充電控制可以分為不控充電過程和可控充電過程,其中不控充電過程控制策略為:斷開直流線路,利用有源側(cè)交流系統(tǒng)向MMC進(jìn)行不控充電,待MMC中子模塊電容電壓滿足子模塊控制器的取能要求后,充電過程結(jié)束;可控充電過程控制策略:為滿足實(shí)際操作中快速充電的需求,縮短啟動(dòng)時(shí)間,可在不控充電過程結(jié)束后,對(duì)MMC實(shí)施交流電壓控制,待電容電壓升至指定電壓值后,再采用直流電壓控制,使電壓快速而平穩(wěn)的升到電容電壓的額定值[8-10]。在可控充電過程中,當(dāng)一個(gè)子模塊電容電壓達(dá)到額定值后將其切除,從未投入的子模塊中找到電壓最低的,將其投入,如此反復(fù),最終將上下橋臂中所有子模塊電容電壓充至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓值。

        實(shí)際工程應(yīng)用中,一般在子模塊電容電壓滿足子模塊控制電源所需的最低電壓之后,將交流側(cè)的限流電阻切除,MMC切換到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的控制器作用,繼續(xù)對(duì)電容進(jìn)行充電,這時(shí)直接采用定直流電壓控制會(huì)產(chǎn)生沖擊電流[11]。為限制沖擊電流,采用帶斜率控制器的直流電壓控制[12],將切換時(shí)的指令電壓值視為實(shí)際電壓值,然后使指令電壓按給定的斜率上升至額定值。

        圖3 子模塊預(yù)充電流程

        圖4 帶斜率的直流電壓控制

        5 仿真驗(yàn)證

        在MATLAB/Simulink中搭建向有源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)模型,參數(shù)見表2,按照上文制定的預(yù)充電策略,仿真時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)定如下,0.25限流電阻退出,0.26啟動(dòng)直流電壓斜坡控制,圖4~圖5為仿真結(jié)果。

        從仿真結(jié)果來看,控制效果明顯,帶斜率控制器的直流電壓控制可以很好地使直流電壓按照設(shè)定的斜率上升到額定值,降低切換時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流。經(jīng)過不控和可控充電過程后,MMC的各個(gè)橋臂子模塊電容電壓均能迅速的達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓值,電壓變化情況與前述的分析基本相同,電容電壓的預(yù)充電控制策略達(dá)到了預(yù)期的效果。

        表2 直流輸電系統(tǒng)的參數(shù)

        圖5 MMC直流側(cè)電壓

        圖6 子模塊電容電壓

        6 結(jié)語

        對(duì)模塊化多電平換流器進(jìn)行預(yù)充電控制是直流輸電系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的中心環(huán)節(jié),也是換流器正常運(yùn)行的前提。本文通過對(duì)模塊化多電平換流器預(yù)充電過程的分析,設(shè)計(jì)了包含MMC不控充電過程和可控充電過程的預(yù)充電控制策略,經(jīng)過仿真系統(tǒng)驗(yàn)證,表明該控制策略滿足MMC預(yù)充電的要求,在對(duì)子模塊電容進(jìn)行可靠充電的同時(shí),還可以很好地抑制子模塊狀態(tài)切換時(shí)電路中的沖擊電流。按照文中的控制策略,可以有效解決有源側(cè)子模塊電容電壓充電問題,無需增加額外的輔助電源,降低了成本,有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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        Analysis of Multi-level Modular Converter AC Side Charging Control Strategy

        TAN Jiu-yu,YANG Yang
        (1.School of Electrical Engineering,Northeast Denali University,Jilin 132012)

        Before the startup process of modular multilevel converter(MMC)the capacitor of sub-module must to be charged.In order to ensure the reliable of capacitor charging,considering the characteristic of MMC and the AC side is connected with the active system,a two-stage pre-charging scheme include the not control charging process and the controlled charging process was presented in this study.Through the AC side active system can make the capacitor voltage of sub-modules charged up to the value for the steady state operation.Simulation with the software MATLAB/Simulink verifies the effectiveness of the proposed pre-charging scheme.

        modular multilevel;precharge process;capacitor volatage;HVDC power transmission

        TM721

        B

        1004-289X(2016)04-0073-04

        2015-05-04

        譚久俞(1991-),男,蒙古族,碩士研究生,研究方向?yàn)槟K化多電平換流器;

        楊洋(1991-),男,漢族,碩士研究生,研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車快速充電。

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