模块化多电平高压直流输电综述.
12页1、模块化多电平换流器型高压直流输电综述0 引言:现代电力电子技术的发展, 使直流输电又一次登上历史舞台, 与交流输电并驾齐驱。 1954 年,世界上第一条工业性的高压直流输电系统投入运营,从此,直流输电技术在海底电缆送电、远距离大功率输电、不同频率或相同频率交流系统之间的联结等场合得到了广泛地应用。 IGBT、GTO的出现,促使了 VSC-HVDC和 MMC-HVDC的产生,成为直流输电技术的一次重大变革。MMC-HVDC(modular multilevel converter-high voltage DC transmission )是新一代直流输电技术,发展非常迅速。它具有高度模块化、易于扩展、输出电压波形好等特点,尤其适用于中高压大功率系统应用。本文首先介绍 MMC的电路拓扑和工作原理, 总结 MMC的主要技术特点;然后分别回顾 MMC在电容电压平衡、 环流、控制策略、故障保护等关键问题的最新研究进展, 最后指出 MMC今后亟待研究的关键问题。相关研究结果表明, MMC在电力系统中有广泛的应用前景 , 是未来中高压大功率系统 , 尤其是高压输电技术的重要发展方向。1 正文:传统
2、两电平电压源型变换器,在电机传动、新能源并网、开关电源等工业生产领域的应用十分广泛。但在高压大功率领域的应用中,为解决功率开关器件的耐压问题,通常通过工频变压器接入高压电网,笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的体积和成本,限制了系统效率。鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足,德国学者Marquardt R.及其合作者提出了基于级联结构的模块组合多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)的拓扑。现将传统直流输电、电压源换流器型直流输电MMC-HVDC三种直流输电方式的特点列表如下。(VSC-HVDC)和1.1 MMC拓扑结构和基本原理拓扑结构如图 1 所示,可以看出其为桥型拓扑结构,上下桥臂各串联 n 个子模块并通过电抗器与交流电源相连。 MMC子模块结构如图 2 所示。子模块由 2 个 IGBT 构成的半桥、 2 个反并联二极管和一个直流储能电容器组成, 每个子模块都是一个两端元件, 可以在 2 种方向电流的情况下通过开关实现在全模块电压和 0 电压之间转换,根据电流的方向不同,可以实现电容的充、放电。
3、其中,电抗器的主要作用是提供环流阻抗, 限制桥臂间环流, 同时有效地减小了换流器内部或外部故障时的电流上升率,从而使IGBT 在较低的过电流水平下关断,为系统提供更为有效和可靠的保护。直流储能电容可视为独立的直流电压源, 为子模块提供全模块电压 Uc。反并联二极管不仅可以为IGBT稳压,同时为充放电提供回路。1.2 MMC技术特点相比于传统的两电平或者三电平拓扑, MMC具有许多适用于高压大功率应用场合的结构和输出特征:1)高度模块化的结构。功率单元的主电路和控制系统均采用模块化设计,通过调整功率单元数量可实现 MMC系统的电压和功率等级的灵活配置,便于系统扩容,有利于缩短工程设计和加工周期。 模块化的功率单元采用相同容量的直流电容和功率开关器件, 具有很强的可替代性,便于系统维护。此外,模块化的结构特点使得 MMC具有出色的硬件和软件兼容性,易于冗余工作设计。2)具有公共直流母线。 MMC无需集中电容器组或其它无源滤波元件进行直流侧滤波, 可避免直流侧短路引起的浪涌电流及系统机械破坏的风险,提高系统可靠性的同时, 也有利于降低系统成本。 MMC可实现对公共直流母线电压的有源控制, 公
4、共直流母线电压和电流连续可调。同时,公共直流母线的存在使得 MMC可以工作在背靠背系统中,典型应用如 HVDC、电能质量问题治理等场合。3)便于工程实现。传统 VSC的高压直流母线一般要求具有较低的等效电感,而 MMC对系统主回路的杂散参数不敏感, 采用普通电缆即可实现所有功率单元间的可靠连接, 因而变换器的结构设计更加灵活,这是 MMC的一个突出优点。4)不平衡运行能力。由于 MMC各相桥臂的工作原理完全相同,均可独立控制,当 MMC交流侧发生不平衡故障 ( 如单相故障 ) 后, 其它两相仍可继续满功率传输能量, 系统传输容量仅需降额总输出能力的三分之一。对于较脆弱的电网, MMC能有效减少频率波动,避免甩负荷或者发电机跳闸。5)故障穿越和恢复能力。由于 MMC的直流储能量大,网侧发生故障时,功率单元不会放电,公共直流母线电压仍然连续,不仅保障了 MMC的稳定运行,并可在较短的时间内从故障状态恢复, 因而具有很强的故障穿越和恢复能力 。6)保留了传统多电平变换器的优点。 MMC具有与传统级联型变换器类似的多电平波形, 开关器件的开关频率低, 系统开关损耗较小。MMC的等效开关频率较高
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