基于多電平換流技術的柔性直流輸電系統

張偉，郭利然，蔣英平

(國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

1 引言

傳統電能是以交流電的形式進行傳輸，隨著用電規模日益增大，電力系統的規模也隨之擴大，從而導致交流輸電走廊不斷擴大，對生態環境產生一定的破壞，同時交流輸電系統具有線路損耗大、電磁干擾嚴重、無法與異步電網進行互聯等缺點，基于以上局限性，直流輸電技術近些年來得到了廣泛的關注[1]。

近些年來綠色環保理念在各個領域得到了關注，風力發電、光伏發電等分布式能源發展迅速，分布式發電系統需要接入電網，通過交流方式實現并網會對電網產生沖擊，進而對電網的穩定運行構成一定威脅，然而采用直流方式進行并網可以有效降低沖擊電流對電力系統的危害。直流輸電技術對交流系統的不同節點進行連接，通過電力電子變換裝置將交流電轉為直流電，實現直流電能的傳輸。由于交流電力系統中包含了直流輸電環節，因此該系統既具有原系統在電力生產、應用等領域的優勢，又可以克服交流輸電系統自身的缺點，從而保證電能傳輸的高效性和電力系統運行的可靠性[2-5]。

電壓型換流裝置是直流輸電系統的核心單元，常見的換流裝置一般采用兩電平或者三電平調制方式，需要保證各串聯功率器件開關的一致性，主要應用在高壓大功率領域。多電平換流器(MMC)通過各個模塊間的串聯來共同分擔直流母線電壓，避免了功率器件之間的串聯，同時可以按串聯的模塊數量對電平數進行調整，保證了系統輸出波形的正弦度。

本文基于上述原理，提出一種以多電平換流(MMC)技術為核心的直流輸電系統，對模塊化多電平換流器的柔性輸電模型進行搭建，并進行了仿真驗證，該系統具有資源消耗少、節能效果好、穩定性高等優勢。

2 系統概述

2.1 柔性直流輸電概述

柔性直流輸電采用功率器件和脈寬調制技術(PWM)來實現，一般采用電壓型換流裝置，柔性直流輸電在新能源并網領域廣泛應用，可以滿足遠距離孤島供電、城市電網供電和異步交流電網互聯等需求。

柔性直流輸電與傳統的直流輸電相比，采用了脈寬調制技術并配合使用可關斷開關器件，因此具有如下特點：

(1)采用PWM對全控器件進行導通和關斷控制，無需外界電網提供換相電壓，因此可以向無源網絡進行供電，可以實現遠距離孤島供電。

(2)采用直接電流控制算法與電壓前饋相結合，通過矢量控制實現有功和無功解耦控制。

(3)通過改變直流電流的方向即可實現潮流反轉，無需改變系統控制參數和線路結構，整個反轉過程僅需幾個毫秒即可完成。

(4)柔性直流輸電可以對電壓精確控制，通過無功控制可以抵消系統瞬態過壓，從而提高了交流系統的輸電能力和容量。

(5)電力系統正常運行時，柔性直流參考電壓以交流電壓的幅值和頻率為基準；系統故障時，柔性直流立刻啟用自身參考電壓，向系統內的重要負荷供電，并協助電網恢復供電和實現黑啟動功能。

(6)電壓恒定，通過對有功潮流進行調節，或者有功恒定，通過無功功率調節都可以對交流電網的功角穩定性進行改善。

2.2 多電平換流技術概述

模塊化多電平換流器(MMC)拓撲通過對子模塊級聯數量的調整來實現電壓、功率等級的變化，根據子模塊的數量可以實現任意電平輸出，從而提高輸出電壓的電能質量，降低功率器件的開關頻率[6]。多電平換流器的模塊化設計提高了系統了可擴展性，為冗余控制的實現提供了條件，各模塊共母線連接，可以實現背靠背結構，模塊化多電平換流器拓撲結構如圖1所示。

圖1 模塊化多電平換流器拓撲

與兩電平、三電平換流器相比，多電平換流器具有以下特點：

(1)各個開關器件承受的電壓較小，且平均分配，可有效降低器件的耐壓值，可在高壓大功率場合應用。

(2)交流輸出特性與模塊級聯數有關，子模塊數增加，電平數也隨之增加，輸出波形的正弦度就會提高，諧波畸變率也會相應降低。

(3)輸出相同電壓時，多電平換流器各功率器件的幵關頻率低，從而降低了開關損耗，提升了系統效率。

(4)多電平結構可以避免多重化變壓器的使用，減小了設備的體積和重量，既降低了成本又提高了系統了可靠性[7]。

3 模塊化多電平換流器

3.1 工作原理

MMC的拓撲結構如圖1所示，三相多電平換流器由六個相互對稱的橋臂構成，每個橋臂包括N個子模塊和一個電抗器，每一相包括2N個子模塊。三相MMC系統等效電路圖如圖2所示，通過可控電壓源uai,ubi,uci(i=1,2)來等效三相各子模塊的橋臂電壓，其中1表示上橋臂，2表示下橋臂。i為各個橋臂流過的電流。

圖2 MMC等效電路圖

為了保證直流側系統電壓穩定，每相上下橋臂子模塊的輸入要對稱互補，一般要求同相上下兩個橋臂的子模塊互補對稱輸入，同時還要保證同相上下橋臂導通模塊數之和要與一個橋臂的子模塊數量相等[8]。

以直流側電壓4000V，MMC每個橋臂子模塊數為4為例，由MMC電路拓撲及相關原理分析可知，每個模塊的電容電壓限值為1000V，橋臂導通狀態與輸出電壓關系如表1所示。

表1 橋臂導通狀態與輸出電壓關系

3.2 調制方法

為了降低輸出電壓、電流的諧波畸變率，交流側需要實現多電平輸出，因此需要采用特殊的調制方式。多電平換流器的調制方式與電平數、開關頻率和電容均壓控制的難易程度有關系，對于輸出電平較多的MMC，通常采用低開關頻率的調制方法以降低開關損耗，提高系統效率，常見的調制方法包括特定諧波消除法、空間矢量PWM法和最近電平調制法，前兩種方法在多電平調制中應用時計算量大，實現困難，因此最近電平調制法更適用于多電平換流器[9]。

最近電平調制法將階梯波進行疊加從而與正弦波逼近，通過對目標電壓的量化逼近實現調制的目的，量化誤差與電平數有關，電平數越多，其誤差越小，由于調制和控制算法相分離，控制算法的難易程度不會隨之改變[10]。子模塊數N=5時調制示意圖如圖3所示。

圖3 最近電平調制示意圖(N=5)

4 多電平換流器建模與控制

本文中換流器采用矢量控制策略，通過dq軸電流解耦實現直接電流控制。通過3s/2r坐標變換將三相交流量變換成兩相直流量，并在dq坐標系中建立控制算法數學模型。下面在MMC拓撲結構基礎上，對其數學模型進行建模。

4.1 MMC數學模型

根據基爾霍夫電流定律和電壓定律可知，三相電流ik(k=a,b,c)可以表示為：

ik=ipk+ink

(1)

式中,p表示上橋臂，n表示下橋臂，在三相靜止坐標系下多電平換流器的時域數學表達式如下:

(2)

式中,L表示橋臂電感，R表示橋臂等效電阻，vk=(unk-upk)/2(k=a,b,c)，對式(2)進行旋轉坐標變換可以得到dq坐標系下MMC的數學模型：

(3)

對式(3)進行拉普拉斯變換得到頻域數學模型，表達式如下：

(4)

由dq變換可知uq=0，進而可以求得交流系統與換流器間的有功功率和無功功率如下：

(5)

4.2 控制系統設計

多電平換流器控制采用矢量控制策略，并采用雙閉環控制方法，即功率外環電流內環控制。式(4)中ud、uq為電網電壓前饋分量，ωLiq，ωLid為dq軸電流耦合分量，vd，vq為電流控制器輸出的電壓指令，表達式如下：

(6)

內環電流給定值可由外環得到，由式(5)可知，根據有功和無功功率的給定可以得到dq軸電流給定，如下所示：

(7)

根據自動控制理論，給定電流與實際反饋電流的差值進行比例積分運算可以實現無靜差調節，同時可以保證系統的動態性能。

5 仿真驗證

為了驗證上述模型的正確性，通過仿真對其進行驗證，構建一個3條直流線路的柔性輸電系統，其中包括3個換流裝置，假設交流源是理想的。換流站1采用恒壓控制，換流站2和3采用定恒功控制，系統控制系參數kp=1.2，ki=4.5。系統仿真波形如圖4所示。

圖4 系統仿真波形

由圖4可以發現：采用功率、電流雙閉環矢量控制策略具有較好的控制效果，系統在0.8s左右進入穩定運行狀態。為了驗證系統的動態特性，在3s時將換流站3的功率進行突變，如圖5所示。

圖5 系統動態仿真波形

此時換流站1和2按各自的功率-電壓曲線進行功率自調節，最終實現系統的功率平衡和穩定輸出，具有較好的性能。

6 結論

基于多電平換流技術對柔性直流輸電系統進行設計，根據MMC的運行特性搭建數學模型，對換流器的控制系統進行設計，并對其進行仿真驗證，仿真結果證明了系統具有良好的穩態和動態特性。采用多電平換流技術的直流輸電系統，克服了傳統交流輸電系統的缺點，降低了功率器件的開關損耗，有利于降低成本和提高系統效率，為電力系統的穩定運行提供了有力保障。