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基于MMC的柔性直流输电仿真与分析

2022-07-25 来源:易榕旅网
NO.6 20l7 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 基于MMC的柔性直流输电仿真与分析 靳艳娇 ,赵 峰 ,刘 刚 (1.华北电力大学,河北保定071003; 2.国网冀北电力有限公司电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责任公司),北京100045) 摘 要:近年来,基于电压源换流器的柔性直流输电技术在我国得到了快速发展。为了分析研究双端柔性直 流输电系统中参考值发生变化时,输电线路上流过的有功量和无功量的变化曲线,采用实时仿真软件RTDS 进行了仿真分析,换流器采用模块化多电平换流器MMC,送端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,换流器MMC的调制方式采用最近电平逼近调制。分别调节系 统中的有功量参考值和无功量参考值,观察调节前后有功量实际值和无功量实际值的变化曲线。仿真结果 显示,调节系统中的有功量参考值主要对有功量的实际值产生影响而调节系统中的无功量参考值主要对无 功量实际值产生影响。验证了该模型在仿真过程中具有有功、无功解耦控制的特点。 关键词:模块化多电平换流器;双端柔性直流输电;控制策略 中图分类号:TM721.1 文献标识码:A DOI:10.16308/j.cnki.issn1003—9171.2017.06.006 Modeling and Simulation of Flexible HVDC Based on MMC Jin Yanjiao ,Zhao Feng ,Liu Gang (1.NoAh China Electric Power University,Baoding 071003,China; 2.State Grid Jibei Electric Power Co.Ltd.Research Institute, North China Electric Power Research Institute Co.Ltd.,Beijing 100045,China) Abstract:In recent years,the flexible HVDC based on voltage source inverter got rapid development in China.In or— der to analyze the change of the amount of active and reactive power curve of transmission lines when the reference value in two terminal HVDC system changes,the RTDS real—time simulation software is used for the analysis in this paper,the inverter adopts modular multilevel converter MMC,the sending end using the active power and voltage con— trol mode,the client using the constant DC voltage and rated voltage AC voltage control mode,the inverter using re— cent level approximation modulation of MMC.The active reference value and reactive reference value were controlled respectively and the actual value change curve of active and reactive power before and after the regulation was ob— served.The simulation results show that the active power reference value mainly affects the actual value of active power and reactive power reference value affects the actual value of reactive power.This model was verified to have the active and reactive power decoupling control characteristics in the simulation process. Key words:modular multilevel converter(MMC),two terminal flexible HVDC transmission system,strategy of con— trolling 0 引言 随着我国电力技术的快速发展,电力输送的 系统出现电压跌落时存在着直流换相失败的风 险。20世纪90年代,伴随着全控性器件IGBT的 问世,以IGBT为元件的电压源换流器得到快速 发展 。作为一种新型的直流输电形式,柔性 直流输电具有调节速度快、不存在换相失败等优 势。随着舟山、厦门等柔性直流输电工程的投 运,柔性直流输电技术已逐渐成熟,具备大规模 应用的条件。 距离越来越远,输送容量也越来越大。在远距离 大容量的输电系统中,直流输电在经济和技术上 占有很大的优势 。 。传统的高压直流输电系统 采用普通元件的晶闸管作为换流器,只能控制输 电线路的开通,而无法控制其关断 ,受端交流 32 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 目前,常用的电压源换流器主要有三相两电 平、三电平和多电平电压源换流器 ,多电平电 压源换流器包括箝位型、级联型和模块化多电平 换流器。三相两电平电压源换流器是目前应用 最广泛的换流器,其操作简单灵活,但在操作过 程中暴露出诸多缺陷,如开关损耗较大,开关过 程所需应力较大等。箝位型多电平换流器虽克 服了三相两电平换流器存在的缺陷,其性能优于 两电平换流器,但其拓扑结构更加复杂,难以输 出高电平…。级联型多电平换流器克服了箝位 型多电平换流器存在的缺陷,但在需要提供有功 功率的场合适用性小。模块化多电平换流器 (Modular Multilevel Converter,MMC),因其模块化 程度较高而逐渐成为柔性直流输电的主流应 用 。 模块化多电平换流器由6个对称桥臂组成, 每个桥臂上串联N个参数相同的子模块SM 。 子模块采用半桥子模块结构。目前,MMC的调制 策略很多,主要包括:载波移相正弦脉宽调制、载 波层叠正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制和最近 电平逼近调制。最近电平逼近调制因具有原理 简单、操作容易实现和运行效率高等优点被广泛 当做MMC的调制策略¨ 。MMC的控制方式包 括直接电流控制和问接电流控制,本文采用的控 制方式是直接电流控制方式,直流电流控制包括 内环电流控制和外环电压控制。内环电流控制 用来跟踪电流给定值,控制换流器的输出电压。 外环电压控制是根据系统给定的参数值计算内 环控制需要的电流参考量 。稳定情况下,直 接电流控制将使得MMC直流端对称运行。 目前,常用柔性直流输电的建模软件较多, 包括实时数字仿真工具RTDS 和非实时数字 仿真工具,非实时数字仿真工具主要包括 PSCAD/EMTDC[ ]MATLAB/SIMULINK[ . 。 EMTP 19]。本文采用实时数字仿真器RTDS对系 统进行仿真分析,分别调节系统中输送的有功量 (如输送的有功功率、直流侧电压)和无功量(如 输送的无功功率、交流侧电压),观察调节前后系 统中有功量和无功量的变化过程,通过仿真分析 验证了双端柔性直流输电模型在仿真过程中能 很好实现有功、无功的解耦控制。 1 MMC的工作原理 不同于常规直流输电系统,柔性直流输电系 统是一种基于电压源型换流器(VSC)的直流输 电系统,其主电路有不同的拓扑结构,本文主要 介绍目前工程上应用最广泛的模块化多电平换 流器(MMC)结构。图1为基于MMC的双端系统 结构图。 图l 基于MMC的双端系统结构图 图1中柔性直流输电系统的功率可以双向 流动,即换流器既可以当做整流器,将从交流系 统吸收的功率经过整流输送出去,又可以当做逆 变器,将从直流侧吸收的功率经过逆变输送回交 流系统。 子模块(Sub—Module,SM)是组成MMC的重 要组成单元,Ⅳ个相互串联的子模块经过串联一 个电抗器L分布在MMC的每个桥臂上,其中各 个子模块内部的参数相同,每个桥臂上电抗器的 参数也相同。图2为MMC拓扑结构图。图3为 半桥子模块结构图。 图2 MMC简拓扑结构图 MMC中每个半桥子模块是由2个晶闸管IG— BT、2个反向二极管D、1个储能电容C、1个旁路 保护开关K和1个晶闸管T组成。IGBT1和IG— BT2的通断情况决定了子模块的运行状态,子模 块分别有3种运行状态:闭锁状态、投入状态和 切除状态。结合电流的流动方向,子模块的每种 No.6 2017 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 33 图3半桥子模块结构图 运行状态分为2个模式。 (1)IGBT1和IGBT2均关断时为闭锁状态。 当子模块中的电流依次流过反向二极管D1和电 容C时为充电模式;当子模块中的电流流过反向 二极管D2时为保持模式; (2)IGBT1开通且IGBT2关断时为投入状 态。当子模块中的电流依次流过反向二极管D1 和电容c时为充电模式;当子模块中的电流依次 流过电容C和晶闸管IGBT1时为放电模式; 一 (3)IGBT1关断且IGBT2开通时为切除状 g [ 态。当子模块中的电流流过晶闸管IGBT2时为 保持模式;当子模块中的电流流过反向二极管D2 — 时仍为保持模式。C S  卜 子模块中旁路保护开关K和晶闸管T的设 /L/L.呈  0 置提高了MMC的安全性和稳定性。子模块SM + +/ 中引入旁路保护开关2 2 2 订 |: K1,当子模块中发生故障 时,旁路保护开关\,、 K可快速将故障旁路,保证 1 ●●●● J MMC系统每个桥臂上电流的稳定性。晶闸管T 具有良好的耐冲击电流能力,当MMC发生严重 故障时,晶闸管T可保护与之并联的续流二 极管。 2 MMC的控制策略和调制方式 2.1 MMC的控制策略 根据系统结构图1,得到的基本微分方程表 示成相量形式为 U sabe L: 孥+R+  i+“c出 ( )1) 经Park变换将式(1)由abc坐标系变换为咖 坐标为 =亡 一争一“s— 一 一 c—pp— 一  (2一) 其中 r 。 。 31OS(a一2 ̄r/3) 2 p — Ij I si na sin(0—2 ̄r/3) L 1/2 1/2 J eo∞ 虬眦 l p一=I cos(0—2,rr/3)sin(n一2at/3)l 31OS(Ⅱ+2 ̄r/3) sin(n+2 ̄r/3) 稳态情况下,令U =U ,U 。=0,忽略交流 侧的等效电阻R,WL为耦合电抗 ,式(2)可表 示为 MMC的基本控制策略分为间接电流控制和 直接电流控制,本文采用直接电流控制,包含内 环电流控制和外环电压控制。内环电流控制主 要控制换流器的输出电压,用来跟踪电流量的给 定值。外环电压控制是根据系统的有功类参数 (有功功率、直流电压)和无功类参数(无功功率、 交流电压)计算出内环电流控制需要的电流给定 值。在双端柔性直流输电系统中,为了维持直流 侧电压的稳定性且灵活调节系统中输送的无功 功率,外环电压控制器至少有一个定直流电压控 制。本文外环电压控制中选取定直流电压控制 为有功类控制量,定交流电压为无功类控制量。 图4为内环电流控制器,图5(a)为外环有功功率 控制器,图5(b)为外环直流电压控制器,图5(c) 为外环无功功率控制器,图5(d)为外环交流电压 控制器。 图4 内环电流控制器 图4中的 ̄’sdref和i ,由图5外环控制器中计 算得到。 2.2 MMC的调制方式 换流器的调制方式是柔性直流输电系统中 输送功率的重要环节,调制方式的选择不仅影响 换流器运行过程中产生的损耗,而且对直流侧的 34 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 输出电压也有一定的影响。本文中采用的是最 近电平逼近调制方法(Nearest Level Control, 每个时刻的变化。且RTDS具有建模简单方便、 计算精度高、响应速度快等特点,其仿真的步长 一NLC),也叫作量化取整法,其原理是利用离散的 阶梯波形近似代替连续的调制波,离散的阶梯数 Ⅳ越大,阶梯波越接近于调制波。最近电平逼近 般为微秒级,可用于柔性直流输电的电磁暂态 过程分析。 3.2 MMC稳态过程分析 调制具有原理简单、容易实现和效率高等功能, 但当阶梯数Ⅳ较小时,结果误差较大且产生低次 谐波,因此适用于阶梯数Ⅳ较多,电平数较高的 根据上述描述的MMC双端系统结构图,采 用直接电流控制策略和最近电平逼近调制方法, 选用实时数字仿真软件RTDS对柔性直流输电进 场合。 (a)外环有功功率控制器 (b)外环直流电压控制器 (c)外环无功功率控制器 (d)外环交流电压控制器 图5外环控制器 通过MMC控制策略中内环电流控制器得到 的 和 ,转化成abc坐标系下的电压参考值, 由电压参考值计算得出MMC正常工作时各个桥 臂分别投入的子模块数,即为最近电平逼近调制 的基本步骤。 3仿真与分析 3.1实时数字仿真器RTDS PSCAD/EMTDC、PSASP和EMTP是目前常 用的几种离散仿真软件,可方便地对柔性直流输 电系统和换流站进行仿真建模。但当实际工程 进行投运或者并网时,需要实时观测柔性直流输 电系统中电气装置的参数,实时数字仿真器 RTDS(Real Time Digital Simulators)具有实时监测 的特点,能足够快速反应电气装置中各个参数在 行仿真建模,其中送端采用定有功功率(有功量) 和定交流电压(无功量)的控制方式,受端采用定 直流电压(有功量)和定交流电压(无功量)的控 制方式,通过分别调节系统中送端、受端的有功 量和无功量,观察系统中相应参数的变化曲线。 图6~图9分别表示MMC1侧输送的有功功率值 上调2%,MMC1侧交流电压值上调2%,MMC2 侧电压值上调2%和MMC2侧交流电压值上调 2%时相应参数的变化趋势,为方便观察分析,图 中参数均采用标幺值的形式。其中PDC1pu表示 MMC1侧有功功率标幺值,PDC2pu表示MMC2 侧有功功率标幺值,Vtlpu表示MMC1侧交流电 压标幺值,VDCpu表示MMC2侧直流电压标幺 值,Vt2pu表示MMC2侧交流电压标幺值。仿真 过程中设定0.6 S后系统中的参数值开始变化, 横坐标代表时间 (s)。 6 MMC1侧有功功率上调2% 图6中可以看出,MMC1侧有功功率参考值 (有功量)发生变化时,主要影响系统中实际输送 有功功率值,而交流电压值(无功量)在经过一定 时间后基本恢复到原先状态。 图7中可以看出,MMC1侧交流电压参考值 (无功量)发生变化时,主要影响系统中实际交流 NO.6 2Ol7 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 35 1.062 5 1.025 0.987 5 O.95 …~…一…j……_。 l ……一 ……………1l………~一  卜……………i…’’… …j__ 一…~  ll  l——一  }l f l  l电压值,而有功功率值(有功量)在经过一定时间 后基本恢复到原先状态。 1.062 5 1.025 , 0.987 5 l O.95 图8中可以看出,MMC2侧直流电压参考值 (有功量)发生变化时,主要影响系统中实际直流 电压值,而交流电压值(无功量)在经过一定时间 后基本恢复到原先状态。 1.062 5 1.025 0.987 5 O.95 0 0.75 1.5 2.25 3 图9 MMC2侧交流电压上调2% 图9中可以看出,MMC2侧交流电压参考值 (无功量)发生变化时,主要影响系统中实际交流 电压值,而直流侧电压值(有功量)在经过一定时 间后基本恢复到原先状态。 4 结论 (1)本文采用最近电平逼近调制方式和直接 电流控制策略,在RTDS上对搭建的双端柔性直 流输电系统模型仿真分析,仿真结果与理论结果 相符合,验证了该模型的准确性。 (2)改变系统中的有功量(MMC1侧有功功 率、MMC2侧直流电压)主要影响本侧的有功量 而对无功量影响较小。改变系统中的无功量 (MMC1侧交流电压、MMC2侧交流电压)主要影 响本侧的无功量而对有功量影响较小。验证了 该模型具有有功、无功解耦控制的特点。 参考文献 [1]赵成勇.柔性直流输电建模和仿真技术[M].北京:中 国电力出版社,2014. 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