李卫国;秦敬明;陈璟毅;崔明
【摘 要】为了研究模块化多电平换流器中子模块电容和桥臂电感的选取和计算方法,从正常运行时稳态能量交换过程、MMC功率输出范围、抑制相间环流、避免系统谐振以及故障工况下交流系统三相不平衡条件和直流双极故障六个方面分析了模块化多电平换流器中子模块电容和桥臂电感的约束条件及两者间的制约关系,根据分析给出了子模块电容和桥臂电感的参数取值原则和计算方法.利用Matlab/Simulink搭建了上海南汇柔性直流输电示范工程的仿真模型,验证了参数取值方法的合理性.
【期刊名称】《东北电力大学学报》
【年(卷),期】2019(039)002
【总页数】7页(P47-53)
【关键词】柔性直流输电;模块化多电平换流器;子模块电容;桥臂电感;参数设计
【作 者】李卫国;秦敬明;陈璟毅;崔明
【作者单位】东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012;国网山西省电力有限公司山西锦通工程项目管理咨询有限公司,山西 太原030006;国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,吉林 长春130021;国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,吉林 长春130021
【正文语种】中 文
【中图分类】TP29
近年来，随着风电和太阳能等新兴可再生能源的快速发展以及长距离大规模异步电网互联的需求日益迫切，交流输电在新能源并网和异步电网互联等方面存在的问题逐渐凸显出来.高压直流输电技术(High Voltage Direct Current，HVDC)由于输送能量和距离不受同步运行稳定性的限制，又重新开始被人们所重视.目前，已有多条大容量、高电压的直流输电系统投入运行[1～2].但是由于晶闸管阀关断不可控，传统采用晶闸管的基于电流源型换流器的直流输电技术(Current Source Converter HVDC，CSC-HVDC)存在换相困难、谐波含量高、需要无功补偿等缺陷.柔性直流输电技术，即基于电压源换流器的高压直流输电系统(Voltage Source
Converter based HVDC，VSC-HVDC)，采用大功率绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)元件构成，具有功率可控性强、可向无源网络供电、不需要无功补偿等优点[3～5]，更适用于远距离、大容量能源的接入，尤其在海上风电并网领域应用广泛.电压源型换流器拓扑结构主要分为两电平、三电平和模块化多电平三种[6～9].其中，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)在2002年被德国学者率先提出，与传统两电平和三电平相比，MMC系统容量大、电压等级高，并且由于其开关损耗低、易于拓展等优点而被广泛应用.
MMC-HVDC系统中，换流器中的子模块电容与桥臂电感是关键器件，其参数选择直接制约着系统稳态和暂态性能.目前对MMC子模块电容和桥臂电感的研究有很多，文献[10]在三相不平衡条件下对直流侧电容进行了设计，文献[11]通过分析能量脉动，给出了子模块电容的表达式，文献[12]提出了避免系统谐振的子模块电容的设计方法，文献[13]从稳态能量交换、有功功率控制动态响应、暂态能量交换及直流双极短路故障4个方面分析了子模块电容的取值.文献[14]根据电流环控制、四象限运行、谐波含量三方面限制因素给出了桥臂电感的设计方法，文献[15]给出了抑制交流侧电流波动量的桥臂电感设计方法，文献[16]在考虑了限制功率输出、相单元间2倍频环流、直流两极短路电流、输出交流三相短路电流的条件下，进行了
桥臂电感的设计，文献[17]通过计算MMC谐波通用矩阵方程，提出了避免系统谐振的桥臂电感值设计.但这些文献都只单独考虑了电感或电容的选取，没有探究两者之间的相互影响，本文在这些文献的基础上综合考虑了子模块电容值与桥臂电感值的限制因素，并且考虑了两者的相互制约关系，最终给出了子模块电容与桥臂电感的参考取值，在Matlab/Simulink里以上海南汇柔性直流示范工程参数为基准搭建了仿真模型，对本文提出的设计方法进行了验证.
1 MMC-HVDC系统模型
以两端MMC-HVDC系统为例，系统结构，如图1所示，换流站间通过直流电缆连接.MMC换流站系统拓扑如图2(a)所示.换流站由三个相单元构成，每相包括上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块SM和一个桥臂电感L0组成，上下桥臂之间的公共连接点与交流侧连接.子模块结构如图2(b)所示，每个子模块包括两个反并联二极管的IGBT和子模块电容C0.正常运行时，通过控制子模块的投入与切除输出所期望的交流电压.
图1 MMC-HVDC系统
图2 MMC主回路结构
对于MMC系统来说，子模块电容值的大小直接决定了电容电压的波动范围，同时也会影响到输出交流电压的波动质量.另一方面，子模块电容的参数对换流站成本影响较大，需要综合考虑.桥臂电感用于构成换流器等效出口电感，对换流站额定容量以及运行范围有一定影响.同时，桥臂电感的取值直接影响环流阻抗和换流器故障时的电流上升率，所以需要在设计的时候特别注意[17～18].
2 满足正常运行工况下的参数设计
2.1 正常运行时抑制能量波动的电容参数设计
在忽略换流器损耗和控制延迟等因素情况下，理论上正常运行时流入MMC换流器的功率与流出功率是相等的，然而在实际运行中时刻维持功率的平衡难以实现，多余或不足的功率会引起直流侧电压的波动，这就要求设计合理的子模块电容的取值，使直流电压波动稳定到一定范围内，在工程设计中通常要求直流电压波动不超过5% [16].
流入换流站的功率反映了交流侧的能量变化，流出换流站的功率反映了直流侧的能量变化.忽略换流器损耗，交流侧的能量变化应等于直流侧能量变化.
由此得到子模块电容计算公式
(1)
2.2 满足功率输出的电感参数设计
桥臂电感影响系统的功率输送能力，如图3所示.当忽略变压器和桥臂电感电阻时，交流母线电压基频分量Us与换流器输出电压基频分量Uc共同作用于变压器和桥臂电感构成的桥臂端口等效电感.变压器和桥臂电感构成的桥臂端口等效电感越大，系统功率运行范围越小[7].
图3 交流侧基波等效原理图
为了使换流器具有4象限运行能力，桥臂等效电感必须满足
(2)
公式中：Us为电网侧电压；P和Q为系统传输的有功和无功功率；ω为角频率；Leq为桥臂等效电感；Udc为直流侧电压；m为调制度.
桥臂等效电感由两个桥臂电感并联后与变压器漏抗串联得到，因此桥臂电感的取值为
L0≤2(Leq-LT)，
(3)
公式中：L0为桥臂电感值；LT为变压器等效漏抗.
2.3 抑制MMC内部环流的电感参数设计
相间环流是MMC的固有特性.由于环流的存在，换流器各相的桥臂电流会发生畸变，同时会增大换流器上的功率损耗.一般要求额定工况下环流分量幅值小于桥臂电流基波分量的20%[17].通过对相单元中流过的瞬时功率积分，可以得到相单元中电容储能表达式，分析可知MMC相单元中存在2倍频且为负序性质的环流，其峰值大小为
(4)
公式中：P为系统传输的有功功率；ω为交流侧基波角频率；C0为子模块电容值；Uc为子模块电容电压；Udc为直流侧电压.
当桥臂电感值增大时，环流峰值会随之减小，由此得到桥臂电感值的约束条件为
(5)
2.4 抑制系统谐振的电容电感参数设计
在MMC正常运行时，子模块的投切会引起桥臂等效电容的变化，如果子模块电容值与桥臂电感值过小，就有可能引发桥臂等效电容与桥臂电感发生谐振，导致换流器各相的桥臂电流发生畸变，放大相间环流，增大换流器上的功率损耗.
当选取的参数值大于2次谐波谐振点对应的参数值时，可以避开各次谐波对应的谐振点，由此得到子模块电容值与桥臂电感值的约束条件为
(6)
梁政珏公式中：L0为桥臂电感值；C0为子模块电容值；n为上桥臂模块数；ω为交流侧基波角频率.
3 故障运行工况对于参数设计的影响
MMC系统交流故障主要影响换流站和交流系统的功率交换以及柔性直流系统的运行性能.对于永久性故障和严重故障，换流器需要进行永久性闭锁并跳开断路器；对于不严重的瞬时性
故障，换流器需要通过合理的参数设计保证系统可以持续运行.本文在这里主要研究交流系统不平衡时的参数设计.
而对于直流系统故障而言，直流双极故障对换流站影响较大，故本文在此重点研究直流双极故障时的参数设计.
3.1 交流系统不平衡时抑制能量波动的参数设计
交流系统的电压不平衡一般由于不对称负荷、不对称故障、设备故障等原因引起.
交流系统三相不对称时，直流侧会产生二倍频脉动，三相传输功率不对称，桥臂电流不平衡，导致子模块电压波动增大，直流侧电压波动增大，波形发生畸变.分析可知，当逆变侧的负序电流为零时，即一侧发生交流系统不对称而另一侧为对称系统时，电容上的能量波动最大[10].
由此可以得到子模块电容与桥臂电感值的约束条件为
(7)
公式中：
(8)
Us-为交流侧负序电压；Us为电网侧电压；P和Q为系统传输的有功和无功功率；ω为角频率；Leq为桥臂等效电感；Udc为直流侧电压；Amax为最大波动能量百分比.
3.2 直流双极故障时抑制桥臂电流的参数设计
一般情况下，MMC之间电缆传输采用双极对称传输方式.当MMC系统中的直流电缆由于外力强行拉断或者人为挖断造成永久故障造成正负极短接，称为直流双极故障，此时相当于直流侧发生短路.系统发生直流双极故障时，桥臂电流是短路电流与子模块放电电流的叠加，在故障发生后的半个周期内桥臂将产生很大的过电流，此时保护来不及动作，可能会对器件造成损伤.通过设计合理的桥臂电感参数，可以对桥臂短路电流起到抑制作用，从而保护器件.
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