基于模块化多电平换流器轻型直流输电系统保护控制体系.pdf

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1、2012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集基于模块化多电平换流器轻型直流输电系统控制保护体系框架1,21蔡新红，赵成勇(1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京市102206；2.石河子大学机电学院，石河子832003）摘要：在介绍了MMC-HVDC系统拓扑结构的基础上，阐述了MMC-HVDC控制保护系统的设计原则和主要功能，指出采用冗余配置和分层设计的必要性。控制保护系统是MMC-HVDC系统的核心之一，在搭建了MMC-HVDC控制保护系统总体结构的基础上，给出了直流控制保护系统的设计和实现方案，提出建立四层结构的MMC-HV

2、DC控制保护体系框架，即直流系统控制层、极控制保护层、阀控层、子模块控制保护单元，并进一步阐述了各控制层的控制功能及各层相互关系，为新型混合双馈入直流输电系统通用控制保护平台的开发奠定了基础。关键词：轻型直流输电；模块化多电平换流器（MMC）；控制保护体系1引言20世纪90年代以来，随着具有自关断能力的全控型电力电子的迅速发展，使以全控型器件[1]为基础的电压源换流器（voltagesourceconverter，VSC）在高压直流输电系统中得到了越来越[2]广泛的应用。目前世界范围内已投入运行的VSC-HVDC工程多为两电平和三电平的VSC-HVDC。而两电

3、平VSC存在的主要问题为全控型器件串联所带来的静态、动态均压和电磁[3-4]干扰，以及由于过高开关频率带来的开关损耗。模块化多电平电压源型换流器（modular[5,6]multi-levelconverter，MMC）通过子模块串联构成换流阀，易于扩展，谐波畸变小，开关损耗[7,8]低，十分适用于高电压大功率的输电系统中。因此MMC一经问世，便以其独特的技术优势受到各国学者的广泛关注。MMC-HVDC控制保护系统作为其核心技术成为研究的焦点。目前已投入的MMC-HVDC工程仅有两项，文献[9-11]对工程的方方面面给予了介绍，但在控制保护系统方面，文献[12

4、-17]重点放在了MMC的控制策略、调制策略、电容电压平衡控制、桥臂换流抑制及故障保护策略研究上，而对整体的MMC-HVDC系统控制保护体系框架的研究文献甚少，文献[10]对VSC-HVDC控制保护系统的功能进行了详细的论述，文献[18]也仅指出了MMC-HVDC控制系统包括系统级控制、变流器控制和阀控制，因此对MMC-HVDC控制保护体系框架的进一步研究是非常有必要的。本文首先介绍了MMC-HVDC系统的拓扑结构，在此基础上阐述了MMC-HVDC控制保护系统的设计原则和基本要求，指出采用多重化配置及分层设计的必要性。在搭建了MMC-HVDC控制保护系统总体结

5、构的基础上，给出了MMC-HVDC控制保护系统的设计和实现方案，为新型混合双馈入直流输电系统通用控制保护平台的开发奠定了基础。2MMC-HVDC系统结构MMC拓扑结构如图1所示,典型的两端MMC-HVDC系统结构如图2所示，包括：6772012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集PSM1SM1SM1+SM2SM2SM2SMSMnSMnSMnLLLabUdccLLLFWD1IGBT1SM1SM1SM1iUcSM2SM2SM2Us1Uc1IUc2Us2dcFWD2IGBT2～MMC1udc1udc2MMC2～SMnSMnSMn_NI1P1Q1P

6、2Q2I2图1MMC基本结构图2两端MMC-HVDC结构示意图1）联接变压器：联接变压器将系统交流电压转换为与换流器直流侧电压相匹配的电压，以确保开关调制度不至于过小，使换流器运行在系统要求的运行区间内，减少输出电压和电流的谐波量。同时变压器作为换相电抗的一部分。2）换流器：采用模块化多电平的换流器拓扑结构，是由多个子模块和桥臂电抗器串联而成，每个子模块由两个IGBT串联组成半桥与直流电容器并联构成。作为MMC-HVDC系统的核心设备，用于实现能量的交/直和直/交变换。3）直流线路：可以采用电缆或架空线路，实现有功功率的长距离传输。3MMC-HVDC控制保护系

7、统的设计原则及基本要求(1)设计原则[19]1）冗余：为了达到工程所要求的可靠性指标，控制保护系统全部采用多重化设计，即冗余。通常采用双通道设计，其中一个通道工作时，另一个通道处于热备用状态。2）分层设计：一方面，从提高可靠性、操作和维护的方便性及灵活性、降低控制环节故障[20]造成危害的角度出发，复杂的控制系统宜采用分层结构；另一方面，从加快控制速度、缩短控制周期的角度考虑，应该尽量减少决策环节，满足“扁平化”的需要，故又不宜层次过多。3）控制系统与保护系统相对独立：控制和保护在硬件配置和软件配置上都要着重考虑，保护要独立于其他设备，并在物理上和电气上独立于

8、控制系统。如果控制系统和保护系统统一实