基于MMC的柔性直流输电换流阀型式试验方案_侯婷

基于MMC技术的柔性直流输电系统电容均压性能分析

２０１３年第３期　上海电力　

基于ＭＭＣ技术的柔性直流输电系统电容　

均压性能分析　

桂顺生，殷志良，陆晖　

（上海市电力公司检修公司，上海２０００６３）　

摘要：上海南汇风电场柔性直流输电工程是柔性直流输电技术在国内的首次应用，对促进柔性直流输电技术的工　程化和实用化意义重大。考虑到模块化多电平换流器（ＭＭＣ）中各个子模块间的电容电压均衡问题是ＭＭＣ拓扑结构的难　点之一，文中在介绍模块化多电平换流器电容电压平衡原理和子模块电容的充放电过程的基础上，分析了电压均衡和能　量均分这两种控制策略的作用，通过在仿真软件ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ中搭建仿真模型，验证了这两种控制策略的有效性。文中　同时结合现场调试情况，分析了电容电压不平衡对系统运行的影响，供生产实际参考。　关键字：高压直流输电；模块化多电平换流器；换流；电容电压平衡　中图分类号：ＴＭ７２１．１　文献标识码：Ａ　

０弓Ｉ言　

上海南汇风电场柔性直流输电工程（Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｈｉｇｈ　Ｖｏｈａｇｅ　ＤＣ，ＶＳＣ—ＨＶＤＣ）　是我国第一条拥有完全自主知识产权、具有世界　

一流水平的柔性直流输电线路。该工程新建书柔　换流站、南风换流站和两站间的一回柔性直流电　路，采用基于模块化多电平技术（Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍｕｌｔｉ—　

ｌｅｖｅｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＭＭＣ）的ＩＧＢＴ换流阀，额定运行　容量为１８ＭＶＡ，直流额定电压为４－３０ｋＶ，直流额　

定电流为３００Ａ。可以实现单站ＳＴＡＣＯＭ方式运　行或两站ＨＶＤＣ方式运行，为电网提供无功支撑　

或两站同时传输有功功率并独立发出无功功率。　ＭＭＣ技术是柔性直流输电工程的核心技术，　

它采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数　实现电压及功率等级的灵活变化，且可以扩展到　

任意电平输出，减小了电磁干扰和输出电压的谐　波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波　

形，因此在网侧不需要大容量交流滤波器；开关　器件的开关频率低，开关损耗也相应减少；由于　

MMC柔性直流电基本原理精选全文

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MMC柔性直流电基本原理

通常，为了减小长距离输电线路的损耗必须提高输电线路的电压等级，即必须采用高压输电。现有的高压输电技术主要包括高压交流（HVAC）和高压直流（HVDC）两种主流技术。

由于输电线路造价低、相同绝缘条件下线路的电力输送能力强，高压直流输电技术更适用于长距离大容量的电力输送，目前，高压直流输电技术主要有：

基于电流源型换流器的HVDC（LCC-HVDC），即常规直流输电技术

基于电压源型换流器的HVDC（VSC-HVDC）

由于可控性和兼容性更佳，VSC-HVDC在中国也被称为柔性直流输电，简称“柔直”。

近年来，模块化多电平换流器（MMC）以其模块化的结构、低谐波含量、高运行效率等优点在柔性直流输电领域获得了广泛关注，并在多个实际工程中获得应用。对应用于直流输电系统的MMC来说，具有如下特点：

换流器容量大——通常在数百至上千MW

电压等级高——交、直流电压在百kV等级

功率模块数量巨大——高达数百至数千

例如：广东南澳多端柔直工程容量200MW，直流电压±160kV，交流电压166kV，青澳站换流器功率模块数量为1320个

云南鲁西背靠背柔直工程容量1000MW，直流电压±350kV，交流电压380kV，广西侧换流器功率模块数量高达2808个

现有文献对应用于柔性直流输电系统的MMC开展了较多的研究，包括电路拓扑、数学模型、调制与均压、桥臂环流谐波抑制、快速仿真方法、故障保护策略等

在电路拓扑方面，现有文献重点研究了具有直流短路故障抑制能力的换流器拓扑

基于半桥型功率模块构建的换流器结构简单，运行效率高，但是无法抑制直流短路故障

基于全桥或者双箝位型功率模块构建的换流器具有短路故障抑制能力，但是所需功率器件多，损耗大，造价高

在MMC的数学模型方面，现有文献主要对MMC的交流侧、直流侧等效模型进行了研究，分析了电容参数及桥臂电感参数的设计方法

现有文献对MMC的均压与调制策略也进行了研究

基于MMC的多端直流输电系统简化建模与仿真研究

摘要：模块化多电平换流器高压直流输电（MMC-HVDC）以其独特的技术优势，已成为未来电压源换流器高压直流输电领域的发展趋势。本文通过对MMC拓扑结构和数学模型进行推导和化简，在保证了仿真精度的前提下，应用了提高MMC仿真效率的理论和方法，基于PSCAD/EMTDC仿真平台建立了三端MMC-HVDC输电系统的简化模型，仿真结果具有较好的动态性能。

关键词：模块化多电平换流器；柔性直流输电；电磁暂态仿真

一、引言

相比于传统电网换相的高压直流输电技术（LCC-HVDC），基于电压源换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）具有不存在换相失败、有功无功功率的快速解耦控制等优势 [1-2]。模块化多电平（Modular Multilevel Convertor，MMC）以其模块化设计、可拓展性好、单个器件开关频率低、谐波性能好等诸多优点已经成为电压源换流站技术的首选技术方案[3]。

目前已投运的MMC-HVDC工程有美国的Trans Bay Cable工程、中国的上海南汇风电场示范工程和南澳三端柔性直流输电工程[4，5]。其中在我国广东建立的南澳多端柔性直流输电工程为世界首个投运的多端直流工程[6]。相关研究表明，MMC-HVDC系统将在风电场联网、电网异步互联、城市中心供电等领域得到广泛应用[7]。

当MMC换流阀从低电压等级、小容量发展到高电压等级、大容量时，每个桥臂串联的子模块数急剧增加。采用PSCAD/EMTDC等电磁暂态软件仿真时，大量IGBT快速的导通、关断将使得主电路形成的节点导纳矩阵不断变化。由于每次变化后形成的节点导纳矩阵规模较大，矩阵求逆将特别耗时，给研究高电压等级、大容量MMC-HVDC的并网仿真分析带来了巨大的困难。因此，在考虑能反映换流器基本运行特性的同时，若能提高仿真速度，将对多端MMC-HVDC的并网仿真分析起到至关重要的作用。

MMC在柔性直流输电中的应用-硕士论文

硕士学位论文

题目: MMC在柔性直流输电中的应用

研究生

专业

指导教师

完成日期

MMC在柔性直流输电中的应用

研究生：

指导教师：

2016年12月

论文作者签名：日期：年月日

指导教师签名：日期：年月日

I 摘要

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)是一种具有较好

发展前景的新型变换器拓扑结构，本文旨在通过对模块化多电平变换器及其在高

压直流输电（MMC-HVDC）中的控制方法进行研究，提高变换器的可靠性。本文首先对MMC的子模块拓扑结构进行分析，详细阐述了子模块的运行机

理，并建立了变换器的数学模型。介绍了两种预充电策略，并比较变换器常用的

几种调制方式，对其各自的优缺点进行阐述。其次，根据能量守恒原则对子模块电容电压和环流进行数学建模分析，给出

了相应的控制器以减小电容电压波动和抑制环流谐波。之后简要分析了MMC系

统损耗的组成，给出了所占比重较大的开关损耗的计算方法，并对传统的电容电压排序算法进行优化，提出改进的排序算法，以达到减小开关频率和开关损耗的

目的。对控制方法进行仿真验证，证明控制方法的正确性。

再次，结合模块化多电平变换器自身特点，详细研究两端MMC-HVDC输电系统中系统控制层、换流站控制层、换流阀控制层中的控制策略。本文对换流

站控制层和换流阀控制层进行了详细讨论，给出相应的控制方法，并对各控制层

中的控制方法进行了仿真验证，证明控制方法的有效性。最后，设计和搭建了一台三相模块化五电平变换器，给出主要单元的原理图。

其中控制单元采用DSP和FPGA协同控制，给出了DSP与FPGA的功能框图与

程序流程图。在样机中加入换流站层控制器与换流阀层控制器，分别在本地负载和并网两种工况下进行实验，给出样机稳定运行时的实验波形，验证了所设计控

制方法的可行性。

关键词：模块化多电平变换器；柔性直流输电；调制策略；电容电压均压控制；环流抑制

基于MMC的三端柔性直流输电系统建模与仿真

梁君君;夏成军;李创煌;陈瑜丰;陈中飞

【摘要】研究了MMC的电路拓扑结构、运行特性以及充电原理，在PSCAD仿真平台上搭建了MMC在三端柔性直流输电系统中的模型。该三端系统由两个送端一个受端组成。两个送端均采用定有功功率和定交流电压的控制方式，受端采用定直流电压和定交流电压的控制方式。系统级控制器采用直流电压偏差控制。每个换流站都采用最近电平逼近调制方法控制模块投入与切除，采用排序的平衡控制原理均衡各子模块电容电压。对直流侧单极母线进行了接地故障仿真，并分析了对系统运行的影响。仿真结果同时验证了该模型的正确性，MMC能在三端柔性直流输电系统中稳定运行，各子模块电压波动较小，有功、无功控制量均能跟随控制目标，该模型所采用的控制策略的性能良好。%This paper analyzes the circuit

Topological stru-cture,operating characteristics and charging principle of

MMC and realizes modeling of three-terminal MMC-HVDC with 20 sub

modules(SM)by PSCAD. The three-terminal system con-sists of two power

transmitting terminals and one power receiving terminal. The two power

transmitting terminals adopt the fixed active power and fixed AC voltage

control mode while the power receiving terminal adopts fixed DC voltage

and fixed AC voltage control mode. The system controller adopts the DC

柔性直流输电阀基控制设备硬件在环测试方法

路建良，贺之渊，唐茹彬，党青，谢敏华，季柯，寇龙泽

(先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司），北京　102209)

摘　要：张北柔性直流电网工程是世界首个柔性直流电网工程，对阀基控制设备的可靠性提出了更高的要求。为了更全面测试柔性直流输电阀基控制设备，提出了高压大容量柔性直流输电阀基控制设备全规模接入实时仿真系统实现硬件在环测试的方法。通过研制接口机箱，搭建了基于RT-LAB的北京站阀基控制设备全规模接入测试平台，提出了全面的阀基控制设备测试项目及测试方法。对该平台的几个典型工况试验波形的研究表明，所搭建测试平台在阀基控制设备测试方面的全面性和准确性；该测试平台已在张北柔性直流电网工程阀基控制设备的出厂测试中得到应用，可为其他柔性直流输电工程阀基控制设备的测试提供借鉴。关键词：张北柔性直流电网工程；阀基控制设备；全规模接入；硬件闭环DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.202004246

0 引言

模块化多电平（modular multilevel converter，

MMC）柔性直流输电被誉为继交流输电、常规直

流输电之后的第三代输电技术，在传输能量提升

的同时，还能够灵活调节电力系统的电压，提高

输电系统的安全稳定性，在可再生能源发电并

网、大型城市/重要负荷供电、电网互联、孤岛/

钻井平台供电等领域具有很好的应用前景[1]。

阀基控制设备（valve base controller, VBC）是

柔性直流输电工程中的重要一环，在其工程投运

之前，需要对其进行充分测试。目前，柔性直流

输电VBC的测试方法主要有2种：（1）基于动

态模拟仿真平台的物理仿真；（2）基于RTDS/

RT-LAB/HYPE-RSIM等实时仿真系统的半实物硬

件在环（hardware-in-the-loop, HIL）测试。文献[2]

依据惯性等效原则设计了一套动态模拟仿真平台

基于MMC的风电场柔性直流输电启动控制策略

岳伟;易荣;张海涛;许树楷;丁雅丽

【期刊名称】《电网与清洁能源》

【年(卷),期】2014(000)011

【摘要】简要描述了MMC结构和工作原理。MMC-HVDC在风电场黑启动和风电场并网方面有具有很大的优势，因此，南澳岛风电场改造为了经MMC-HVDC接入电网的方式。提出了风电场柔性直流输电送端换流器直流侧充电方法、风电场黑启动并网方法以及受端和送端控制策略。该方法和控制策略已在南澳多端柔性直流输电示范工程中的成功应用。南澳柔性直流输电示范工程的成功投运验证了MMC-HVDC的优越性和所使用控制方法的正确性。%This paper briefly

describes the structure and working principle of MMC. As MMC-HVDC has

a great advantage in the wind farm black start and wind farm’s

integration with grid,Nan’ao Island Wind Farm is innovated and

transformed into MMC-HVDC patten. This paper proposes the DC side

charging method,and the black start-up and grid connection method and

receiving end and sending end control strategy of MMC-HVDC. The

method and control strategy have been successfully implemented in

Nan’ao VSC-HVDC demonstration project,and its successful operation