尹正清 蘭軍 高建虎
摘 要:以往對模塊化多電平換流器(modular multi-level converter,MMC)的研究中,大部分都強調(diào)MMC中環(huán)流存在的弊端,但本文分析了環(huán)流產(chǎn)生的原因,考慮到環(huán)流在三相之間能量平衡的作用,提出對環(huán)流進行控制,使MMC變得更加穩(wěn)定且減小MMC中直流電容電壓的波動,這對降低MMC成本具有重要意義。
關(guān)鍵詞:MMC;環(huán)流控制;直流電容電壓
中圖分類號: TM451+.2 文獻標(biāo)識碼: A 文章編號: 1673-1069(2016)24-251-2
0 引言
MMC是由R.Marquardt于2001年首次提出,它具有以下優(yōu)點:模塊化的結(jié)構(gòu),能夠運行于弱交流系統(tǒng),不需要為其提供額外的無功補償設(shè)備,諧波含量少等[1~3]。
在對MMC的研究中,環(huán)流的研究占了很大比重。由于環(huán)流流經(jīng)六個橋臂,使橋臂電流不再是正弦的。環(huán)流的存在意味著子模塊的額定電流要相應(yīng)增加,但更重要的是能量在橋臂間的傳輸,如果不加控制,會因為能量的不平衡引起MMC的不穩(wěn)定。以往對環(huán)流的研究目的都是要把環(huán)流消除,沒有看到環(huán)流存在的意義,并提出一種環(huán)流的控制方法對環(huán)流進行利用。
1 MMC的數(shù)學(xué)模型
MMC由三個相單元組成,每個相單元由兩個臂單元組成,每個臂單元由N個串聯(lián)的功率子模塊串聯(lián)而成。每個子模塊包括兩個IGBT,一個旁路接觸器,一個SCR和一個直流電容組成。(圖1)
由MMC的結(jié)構(gòu)可得到如圖2所示的單相數(shù)學(xué)模型。其中為電網(wǎng)的相電壓,為電網(wǎng)的相電流,和為上橋臂的電壓和電流,和為下橋臂的電壓和電流,為直流母線電壓。
2 MMC環(huán)流產(chǎn)生的原因
假定交流系統(tǒng)的相電壓和線電流分別為:
則每相由電網(wǎng)傳輸?shù)組MC換流器的瞬時功率為
對該瞬時功率進行積分便得到MMC的每相從電網(wǎng)獲得的能量
從公式(3)可以看出每相的能量有一個二倍頻的波動分量,該二倍頻的直流電容電壓波動造成了三相之間環(huán)流的產(chǎn)生。
3 環(huán)流的控制
假定三相之間的環(huán)流為零,既內(nèi)部不平衡電流只有直流分量 。此時輸入上下橋臂的功率分別為:
對這兩個功率進行積分的到上下橋臂的能量:
從公式(5)中可以看出wah和wal中有二倍頻分量和基波分量,其幅值分別為 和 (為了方便這里按φ=π/2計算)。
現(xiàn)在引入的環(huán)流:
此時輸入上下橋臂的瞬時功率分別為
對公式(7)兩邊做積分處理,得到此時上下橋臂的能量為:
從公式(8)中可以看出此時上下橋臂的能量中具有基波和三次諧波的波動,幅值分別為 和 。同時在MMC中,Udc≈2U。顯然存在 , 。因此,在加入 這一環(huán)流后,上下橋臂能量的波動都會減小,那么在上面的電容電壓的波動也會減小。
4 仿真驗證
為了驗證上述控制方法的有效性,本文在PSCAD/EMTDC平臺下建立了一個10kV、10MVA的MMC模型。整個MMC運行期間發(fā)出5MVar的無功功率,在8S之前采用將環(huán)流控制為0,在8S之后為把環(huán)流控制為 。圖3為a相上下橋臂電容器里的能量,圖4為a相所有電容器的能量。從圖中可以看出在加入環(huán)流后電容器中的能量波動明顯減小,這說明電容電壓的波動也會減小。
5 結(jié)論
當(dāng)環(huán)流為零時,電容電壓的波動并不是最小的,根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài),按照本文中的方法,加入特定的環(huán)流后能有效地減小電容電壓的波動。這樣在同樣電容電壓波動的條件下,就可以減小電容的容值。
參 考 文 獻
[1] 楊曉峰,鄭瓊林.基于MMC環(huán)流模型的通用環(huán)流抑制策略[J].中國電機工程學(xué)報,2012(18):59-65.
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