模塊化多電平換流器應用於直流輸電的科研挑戰及解決方法

2020-12-10 電氣技術

基於模塊化多電平換流器的高壓直流輸電需應對直流線路可能短路故障和子模塊數量過多帶來的電容電壓均衡問題。為保證模塊之間獨立工作為約束條件，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、國網唐山供電公司的研究人員張建坡、崔滌穹、田新成、趙成勇，在2020年第18期《電工技術學報》上撰文，分析了全橋拓撲故障抑制機理，並基於故障鉗位電路和開關電容多電平思想，設計一種具有直流故障電流阻斷和內部電容電壓均衡能力的自阻自均壓型子模塊拓撲，不僅能滿足直流故障電流阻斷要求，還將參與排序均衡的電容數量減少一倍。同時研究了自阻、自均壓拓撲兩種不同閉鎖模式下直流故障抑制特性、電平輸出優先的自均壓控制策略以及非閉鎖直流故障抑制策略。

模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Con- verter, MMC）採用子模塊級聯結構，具有開關器件應力小，電壓、電流波形質量高，輸出電壓調節靈活等特點，因此在高壓直流輸電和電能變換領域得到廣泛應用。

當MMC應用於高壓直流輸電時，有如下兩個問題必須考慮。

1、如何處理直流側線路短路故障

直流系統一旦發生故障，較低的阻尼導致電流上升率較高，且不同於交流故障，沒有電流過零點，從而電流清除難度要大於交流系統。

當前主要有以下幾種方法切斷故障電流：

  • 1）依靠換流站交流斷路器，但交流斷路器故障切除時間通常在45～150ms之間，不利於故障快速切除和系統恢復；
  • 2）其次安裝直流斷路器對直流側故障進行隔離，目前國內外僅有為數不多的幾個公司完成了直流斷路器樣機研製，這些樣機還沒有廣泛的工程成功應用案例，成本高且技術仍然不成熟。
  • 3）換流器採用具有故障抑制能力改進型子模塊代替半橋子模塊實現短路故障清除。例如，具有並聯抑制功能的鉗位二極體子模塊及其改進拓撲；實現串聯抑制功能的串聯雙子模塊和跨接三電平和五電平拓撲，為減少功率器件數量的閉鎖後儲能電容非對稱充電的混合拓撲，利用雙向阻斷能力絕緣柵雙極型電晶體構成的阻斷型拓撲。

上述改進型拓撲無一例外都是通過採用單一閉鎖模式實現直流故障抑制。全橋拓撲具有直流故障電流非閉鎖抑制功能，但是相對於半橋子模塊拓撲所需功率器件較多。而全橋子模塊+半橋子模塊構成的混合拓撲雖然可以實現直流故障非閉鎖抑制，但故障抑制期間，半橋子模塊處於旁路狀態。

總之，無論是改進型拓撲直流故障閉鎖抑制，還是全橋+半橋拓撲直流故障非閉鎖抑制，都存在全部或部分子模塊處於閉鎖或旁路狀態，而由於子模塊取能電路影響，可能會導致電容電壓發散。

2、電容電壓均衡問題

MMC中子模塊電容相互獨立，電容電壓均衡依賴於均壓控制，而均壓控制複雜程度又直接取決於MMC子模塊數目。隨著子模塊數目增加，均壓控制對計算量和數據採集速度要求日趨嚴苛，由此帶來一系列子模塊電容均壓問題。

  • 有學者研究了電容電壓排序均衡控制策略，該策略具有原理清晰、實現簡單的特點。但排序均衡需要對所有模塊電容電壓進行實時排序和選擇，佔用運算資源較多，可能會在控制環節引入較大延遲，降低MMC電流動態跟蹤特性。
  • 有學者針對載波移相調製策略，為每個子模塊附加獨立電容電壓控制環節，實現了無需排序的電壓均衡控制，但控制環節增加了均壓控制複雜度。
  • 有學者提出一種減少傳感器的電容電壓分組均衡控制策略以提高均壓效率，但不能應對組內部電容參數差異引起的誤差。
  • 為實現模塊間電容能量交換，解決電容電壓均衡問題，有學者在相鄰子模塊電容上串接鉗位二極體，提供能量通道，設計了一種MMC新拓撲，但是需要藉助輔助變壓器才能實現相內電壓平衡。
  • 有學者提出一種具備自均壓能力MMC拓撲，在保留MMC模塊化特性的同時，採用二極體鉗位方法，將各個子模塊電容電壓鉗位在最底端子模塊和最頂端子模塊電容電壓之間，使得MMC在子模塊投切過程中自發實現電容電壓均衡。這種方法控制簡單，但是保持最底端和最頂端子模塊電容電壓平衡電路可能需要承受較高的絕緣電壓。

針對上述問題，新能源電力系統國家重點實驗室等單位的研究人員，提出了一種具有直流故障阻斷和內部電容自均壓能力的自阻自均壓子模塊拓撲。

首先利用鉗位電路和開關電容網絡設計一種多電平子模塊拓撲，研究其電平輸出特性，實現閉鎖和非閉鎖直流故障抑制。然後為減少電容電壓排序均衡所耗費控制系統計算資源，提高系統動態響應速度，在多電平子模塊拓撲基礎上根據並聯電路電壓相等原理，設計子模塊內部均壓電路，形成自阻自均壓複合型子模塊拓撲，並研究其均壓控制策略。最後通過PSCAD/EMTDC仿真模型驗證所提拓撲的直流故障抑制特性及均壓控制策略的有效性。

圖1 非STATCOM模式直流故障非閉鎖抑制效果


圖2 STATCOM模式直流故障非閉鎖抑制效果

研究人員指出，在不改變現有控制策略的基礎上，該新型拓撲利用鉗位電路和開關電容網絡實現了多電平輸出和直流故障抑制。通過內部並聯自均壓電路實現了均壓功能，將參與排序均衡控制的子模塊數量降低為一半，緩解了子模塊數量過多計算量和數據採集壓力較大的問題。同時該拓撲還可以根據直流故障導致的過電流程度，選擇不同抑制模式，以獲得不同抑制效果。

以上研究成果發表在2020年第18期《電工技術學報》，論文標題為「自阻自均壓模塊化多電平換流器子模塊拓撲及控制」，作者為張建坡、崔滌穹、田新成、趙成勇。

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