基于MMC技术的柔性直流输电系统电容均压性能分析

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1、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

2、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：A0弓I言成为难点。各相之间能量分配的不平衡，导致换流器内部环的存在，使本来正弦的桥臂电流发生上海南汇风电场柔性直流输电工程(Voltage畸变，同时增加了对开关器件额定电流的要求，SourceConverter-highVohageDC，VSC—HVDC)危害换流器的正常运行。南汇风电场柔性直流输是我国第一

3、条拥有完全自主知识产权、具有世界电示范工程在双站联调时，就曾出现了因桥臂电一流水平的柔性直流输电线路。该工程新建书柔压不平衡导致的直流系统振荡问题，且随着直流换流站、南风换流站和两站间的一回柔性直流电系统的振荡，换流站各桥臂电压的不均衡度较路，采用基于模块化多电平技术(ModularMulti—大，同时站控系统的参考波形输出出现畸变。levelConverter，MMC)的IGBT换流阀，额定运行鉴于MMC子模块间的的电容电压平衡问题容量为18MVA，直流额定电压为4-30kV，直流额是MMC的研究难点，本文在介绍M

4、MC的拓扑结定电流为300A。可以实现单站STACOM方式运构与工作机理的基础上，阐述电容电压平衡机理行或两站HVDC方式运行，为电网提供无功支撑及其影响因素，仿真研究MMC子模块电压平衡或两站同时传输有功功率并独立发出无功功率。和能量均分这两种电容电压平衡控制策略的效MMC技术是柔性直流输电工程的核心技术，果，并结合调试情况，分析电容电压不平衡对系它采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数统运行的影响，供生产实际参考。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

5、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；开关图1为MMC的主电路拓扑结构，它由6个器件的开关频率低，开关损耗也相应减少；由于桥臂构成，其中每个桥臂由若干个相互连接且结MMC拓扑将能量分散存储在桥臂的各个子模块构相同的子模块(SM：SubModule)与一个电抗器电容中，提高了故障穿越能力，具有明显的技术L串联构成，上下两个桥臂构成一个相单元。根据优势。但MMC拓扑也有缺点，即由于分布式布置MMC的模块化设计，6个桥臂具有对称性，各子的储能电容，使得各子模块电容电压的均衡分配模块的电气参数和各桥

6、臂电抗值都是相同的。每一】43-2013年第3期2MMC电容电压平衡原理以换流器a相整流侧为例进行说明，电流的正方向如图1所示。理想情况下，a相上、下桥臂电流为：‘1=U3+U2(1)i~=Id3一2(2)式中，‘。和分别为a相上、下桥臂电流，其示意图如图3所示。由图可见，桥臂电流含有直流分量，正负半周波形不对称。对整流侧而言，桥臂电流的直流分量总是使相单元中投入的子模块放电，即整流侧向直流系统输送功率。而桥臂电流的交流分量对上、下桥臂投人的子模块的充放电总是大小相等、性质相反。当‘为正时，如果此时换流器a相电压u为

7、正，即下桥臂投入的子模块数多于上桥臂，则桥臂电流的交流分量使下桥臂子图1MMC结构图模块的充电大于其使上桥臂子模块的放电，整个相单元被充电；如果此时u为负，则整个相单元相的上、下桥臂组成一个相单元，3个结构相同的被放电。同理当‘负时，如果此时地为负，则相单相单元在直流侧并联来提供总直流电压。元被充电；如果此时u为正，则相单元被放电。不MMC的子模块由一个作为开关的IGBT半桥考虑换流器损耗时，只要相电压和相电流的相角和一个直流储能电容构成，如图2所示。图中，u_sM差小于90。，桥臂电流的交流分量对相单元的充为子模块

8、的输出电压；为该子模块所在桥臂的电大于放电，该充放电能量之差就是交流系统向电流；为子模块的电容电压；K1和K2分别为高整流侧输送的能量，以此实现交直流侧能量的平速旁路开关和压接式封装晶闸管，主要是作为保衡。如果考虑换流器损耗，则该损耗由交直流侧功护措施来增强MMC的安全I生。每个子模块都是两率之差来补偿。对整流侧子模块而言，相电压和相端元件，通