基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及柔性直流輸電技術，尤其涉及一種基于模塊化多電平換流器的柔性直 流輸電系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 柔性直流輸電是一種以電壓源換流器（VSC)、可控關斷器件和脈寬調(diào)制（PWM)技 術為基礎的新型直流輸電技術。該直流輸電技術能夠瞬時實現(xiàn)有功和無功的獨立解耦控 制、可向無源網(wǎng)絡供電、換流站間無需通訊、易于構成多端直流系統(tǒng)。此外，該輸電技術能同 時向系統(tǒng)提供有功功率和無功功率的緊急支援，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具 有明顯優(yōu)勢。
[0003] 基于電壓源換流器（VSC)的柔性直流輸電技術，相比傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術， 具有控制和運行方式靈活的特點，廣泛應用于為城市和遠端孤立負荷供電、可再生能源及 海上發(fā)電并網(wǎng)等場合。
[0004] 但是，現(xiàn)有柔性直流輸電技術，仍存在系統(tǒng)損耗大（即開關損耗較大），不能控制 直流側(cè)故障時的故障電流等問題。柔性直流輸電系統(tǒng)中采用了IGBT器件，在觸發(fā)控制上采 用PWM技術，可實現(xiàn)很高的開關頻率，換流站的輸出電壓諧波量也較小，相對于傳統(tǒng)的直流 輸電系統(tǒng)，柔性直流輸電換流站安裝的濾波裝置的容量已經(jīng)大為減少。但上述柔性直流輸 電系統(tǒng)，在觸發(fā)控制技術和進一步降低輸出電壓諧波含量方面，還有進一步改進的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流 輸電系統(tǒng)，以進一步降低其控制系統(tǒng)的復雜度、提高可靠性和降低輸出電壓的諧波含量。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：
[0007]-種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，包含模塊化多電平換流器MMC電路；所述MMC電路包含由多個子模塊與電感器經(jīng)串聯(lián)組合成的換流臂。
[0008]其中：所述的子模塊進一步包括一個IGBT半橋和一個直流電容器。
[0009] 所述電感器用于控制相間電流，并在故障時為換流器提供保護。
[0010] 所述MMC的每相拓撲，包含2N個子模塊，能輸出N+1個電平。
[0011] 一種基于載波相移PWM調(diào)制的MMC控制方法，包括如下步驟：
[0012] A、對N個功率單元，利用三角形載波依次移相載波周期T。= 2JI的N分之一，然 后與相同的正弦調(diào)制波進行比較，產(chǎn)生N組PWM調(diào)制波來驅(qū)動N個功率單元；
[0013] B、將各個功率單元的輸出電壓相互疊加，產(chǎn)生了多電平換流器的等效PWM輸出電 壓波形。
[0014] 本發(fā)明所提供的基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：
[0015] 采用模塊化多電平換流器MMC電路，能夠降低控制系統(tǒng)的復雜度、提高可靠性和 降低輸出電壓的諧波含量。采用MMC控制方法，只需要移相各個單元的載波，而調(diào)制波不 變，因此易于實現(xiàn)。而且采用該控制方法不會增加輸出電壓的諧波分量。經(jīng)四電平MMC仿 真實驗證明，結(jié)果證明該調(diào)制方法是正確的。
【附圖說明】
[0016] 圖1為現(xiàn)有柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理示意圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明實施例中采用的模塊化多電平換流器（MMC)組成電路的拓撲結(jié)構示 意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明實施例的整流器控制系統(tǒng)的原理示意圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明實施例的逆變器控制系統(tǒng)的原理示意圖；
[0020] 圖5為逆變器側(cè)的線電壓（交流、標幺值）；
[0021] 圖6為逆變器側(cè)的相電壓（交流、標幺值）；
[0022] 圖7為逆變器側(cè)的線電壓諧波頻譜；
[0023] 圖8為逆變器側(cè)的相電壓諧波頻譜；
[0024] 圖9為逆變側(cè)的相電壓（交流、標幺值）；
[0025] 圖10為逆變側(cè)的線電壓（交流、標幺值）。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實施例對本發(fā)明基于模塊化多電平換流器的柔性直流 輸電系統(tǒng)作進一步詳細的說明。
[0027] 圖1為現(xiàn)有柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理示意圖。其中，兩端的換流站均采用電壓 源換流器（VSC)結(jié)構、換流變壓器、換流電抗器、直流電容器和輸電電纜等部分組成。
[0028] 圖2為本發(fā)明實施例中采用的模塊化多電平換流器（MMC)組成電路的拓撲結(jié)構示 意圖。電壓源換流器采用模塊化多電平換流器（MMC)，由于其具有控制系統(tǒng)簡單、可靠性高、 諧波含量低等多種優(yōu)點，因而具有廣泛的應用前景。
[0029] 由圖2所示的模塊化多電平換流器（MMC)的組成電路的拓撲結(jié)構可知，該拓撲結(jié) 構利用多個子模塊（SM，Sub-Module)的串聯(lián)組合成換流器的各個橋臂，即換流臂。就MMC 模塊（或電路）而言，在任何時候，IGBTl的狀態(tài)，導通或者關斷，都與IGBT2是相反的，即 當IGBTl導通的時候，IGBT2關斷；當IGBTl關斷的時候，IGBT2導通。只有這樣，直流電容 器才能輸出穩(wěn)定的電壓。
[0030] 在本實施例的模塊化多電平換流器中，有6個換流臂，每個換流臂由若干子模塊 和電感串聯(lián)組成。每個子模塊包括：一個IGBT半橋和一個直流電容器。電感器主要用來控 制相間換流，并在故障時為換流器提供保護。直流電容器主要用來支撐直流側(cè)的電壓。
[0031] 對于三相MMC (即模塊化多電平換流器MMC電路數(shù)量為3時）的拓撲，直流側(cè)電壓 由直流電容器和電感器分壓，即
[0033] 其中：Ud為直流側(cè)電壓，j = 1，2,…，N為u相的N個子模塊，V ju為u相的第j個 組模塊的輸出電壓；1為電感；1。3和i Na分別為上臂和下臂電流。
[0034] 從MMC的每相的拓撲可知，每相由2N個子模塊組成，能輸出N+1個電平，而且，電 容器由主電路的電流充電。
[0035] 圖3為本發(fā)明實施例的整流器控制系統(tǒng)的原理示意圖。基于MMC的整流器的控制 原理為：一方面，將無功功率的實際值與無功功率的參考值進行比較，差值經(jīng)過PI (比例積 分）環(huán)節(jié)，獲得調(diào)制比M值，經(jīng)過一個延遲和限幅環(huán)節(jié)，送往PWM ;另一方面，根據(jù)直流電壓 和直流電流計算出直流功率，并與直流功率參考值進行比較，經(jīng)過一個延遲后，將差值送往 潮流控制器，以計算觸發(fā)角，并將觸發(fā)角的指令送往PWM。PWM根據(jù)M值指令和觸發(fā)角指令， 生成控制IGBT的脈沖，從而控制有功功率和無功功率。
[0036] 圖4為本發(fā)明實施例的逆變器控制系統(tǒng)的原理示意圖?；贛MC的逆變器的控制 原理為：一方面，將直流電壓的實際值與參考值進行比較，差值經(jīng)過比例積分（PI)環(huán)節(jié)，計 算出觸發(fā)角并送往PWM ;另一方面，將交流電壓的實際值與參考值進行比較，差值經(jīng)過比例 積分（PI)環(huán)節(jié)，計算出調(diào)制比M值并送往PWM。PWM根據(jù)M值指令和觸發(fā)角指令，生成控制 IGBT的脈沖，從而控制直流電壓和接受端母線電壓。
[0037] 本發(fā)明還提出一種基于載波相移PWM調(diào)制的MMC控制方法，即對N個功率單元，
進行比較，以產(chǎn)生N組PWM調(diào)制波來驅(qū)動N個功率單元。各個功率單元的輸出電壓相互疊 加，產(chǎn)生了多電平換流器的等效PWM輸出電壓波形。采用該MMC控制方法，具有下列優(yōu)點： 1)該算法只需要移相各個單元的載波，而調(diào)制波不變，易于實現(xiàn)；2)該算法不會增加輸出 電壓的諧波分量。
[0038] 本發(fā)明的實施例通過四電平MMC的仿真實驗證明，結(jié)果證明該調(diào)制方法是正確 的，具體如圖5~圖10所示。
[0039] 本發(fā)明就基于電壓源換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)進行了仿真實驗，并進行了分 析。取每個子模塊的電容電壓為基準值，那么電容電壓的標么值就為％= l(p.u.)，直流側(cè) 電壓就為3 (p. u.)。頻率為fQ= 50Hz，電感為L = 0? 004H。
[0040] 所述的柔性直流輸電系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行時，逆變器的線電壓輸出分別如下：
[0041] 圖5為逆變器側(cè)的線電壓（交流、標幺值）；圖6為逆變器側(cè)的相電壓（交流、標 幺值）。其中，圖7為逆變器側(cè)的線電壓諧波頻譜；圖8為逆變器側(cè)的相電壓諧波頻譜。
[0042] 為研宄柔性直流輸電系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性：
[0043] 本發(fā)明實施例在逆變側(cè)設置了一個三相短路故障，故障清除時間為0. 5s。其逆變 器側(cè)交流電壓的波形分別如下：
[0044] 圖9為逆變側(cè)的相電壓（交流、標幺值）；圖10為逆變側(cè)的線電壓（交流、標幺 值）。
[0045] 由以上仿真結(jié)果可知，在三相短路故障清除后，逆變側(cè)的交流系統(tǒng)能夠維持暫態(tài) 電壓穩(wěn)定性。
[0046] 因此可得出如下結(jié)論：
[0047] 1)基于載波相移PWM算法的控制方法能夠很好的控制MMC。
[0048] 2)整流器和逆變器的控制方法是正確、且有效的，能夠確保逆變側(cè)的電壓諧波很 小。
[0049] 3)基于電壓源換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)有很好的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。
[0050] 以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，包含模塊化多電 平換流器MMC電路；所述MMC電路包含由多個子模塊與電感器經(jīng)串聯(lián)組合成的換流臂。2. 根據(jù)權利要求1所述基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于， 所述的子模塊進一步包括一個IGBT半橋和一個直流電容器。3. 根據(jù)權利要求1所述基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于， 所述電感器用于控制相間電流，并在故障時為換流器提供保護。4. 根據(jù)權利要求1所述基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于， 所述MMC的每相拓撲，包含2N個子模塊，能輸出N+1個電平。5. -種基于載波相移PWM調(diào)制的MMC控制方法，其特征在于，包括如下步驟： A、 對N個功率單元，利用三角形載波依次移相載波周期T。= 2 的N分之一，然后與 相同的正弦調(diào)制波進行比較，產(chǎn)生N組PWM調(diào)制波來驅(qū)動N個功率單元； B、 將各個功率單元的輸出電壓相互疊加，產(chǎn)生了多電平換流器的等效PWM輸出電壓波 形。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，其包含模塊化多電平換流器MMC電路；所述MMC電路包含由多個子模塊與電感器經(jīng)串聯(lián)組合成的換流臂。采用本發(fā)明基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，能夠進一步降低其控制系統(tǒng)的復雜度、提高可靠性和降低輸出電壓的諧波含量。
【IPC分類】H02J3/01, H02J3/36, H02M7/00
【公開號】CN104993510
【申請?zhí)枴緾N201510477776
【發(fā)明人】劉鵬, 呂志來, 李海
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 北京許繼電氣有限公司
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年8月6日