基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术

刘 隽,贺之渊,何维国,包海龙,季兰兰

(1.上海市电力公司技术与发展中心,上海 200025;2.中国电力科学研究院,北京 100192)

传统的基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)工程采用的低电平电压转换器(VSC)具有开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、需要无源滤波器和变压器等缺点,并存在串联器件的动态均压等难题,多电平变流器通过电压叠加输出高电压,并且输出电压谐波含量少,无需滤波器和变压器,为了克服上述问题,提供了一种新的方案。2001年德国学者提出模块化多电平变 流器 (Modular M ulti-level Converter, MMC)概念,这种模块化结构具有较强的可扩展性,容易实现冗余控制,并且可提供一个公共直流侧,更易实现背靠背连接方式,十分适用于VSC -HVDC输电系统中[1-5]。

1 MMC柔性直流输电技术的工作原理

图1为模块化多电平VSC子模块及主电路拓扑结构示意。图1中P点表示VSC正直流母线,N点表示VSC负直流母线,o点表示VSC假想的直流侧中性点。

图1 模块化多电平拓扑结构示意

VSC直流电压为U dc,故P点相对于o点的电压u Po为+U dc/2;N点相对于o点的电压u No为-U dc/2。u a i,u b i,u c i(i=u,l)分别表示VSC每相上、下半桥臂的电压,则可得:

式中:uao,ubo与uco分别表示VSC各相交流输出端相对于直流侧假想中性点“o”的电压。

只要对VSC各相半桥臂电压u a i,u b i和u c i (i=u,l)依照式(1)限定的那样去施加,则在VSC的输出端便能得到所期望的直流电压U d c与交流电压u ao,u bo和u co。由式(1)可得出:

由式(2)可知,VSC的三个桥臂具有相同的电压Udc,又由于VSC具有严格的对称性,3个桥臂具有相同的阻抗,因此直流电流I dc将在3个桥臂间均分,每个桥臂的直流电流为I dc/3,如图1中的粗虚线所示。同理,各相输出端电流ia,ib和i c将在各相上、下半桥臂间均分,如图1中的细虚线所示。因此,可得VSC各相半桥臂暂态电流i a i,i b i和i c i(i=u,l),如式(3)所示:

变流器的各相由多个子模块按照一定顺序级联组成,并按照一定的控制逻辑被触发,可使变流器交流侧输出期望的波形。图1中,MMC的各相由4 s个子模块组成,每相上下桥臂分别由级联在一起的2 s个子模块和一个电抗器构成。单个子模块的输出电压可以是0和U d,从而使变流器各个桥臂的输出电压可在0和2 sU d之间。

通过电磁暂态仿真软件PSCAD/EM TDC对上述原理进行了仿真验证。VSC的电路拓扑如图1所示为三相等值电路。输出端期望得到的直流电压U dc为20 kV,交流电压u ao的幅值为8 kV。VSC直流侧负载电阻为200Ω,交流侧连接阻抗负载,电阻值为100Ω,电感值为0.184 H。仿真得到电压、电流波形分别如图2至图4所示。

2 系统的控制方式[6-8]

为了提高MMC柔性直流输电系统的运行可靠性,需要限制各个控制环节故障对整个系统造成的影响。通过将控制器分成几个层次可以实现这一目标,同时也可以提高维护的方便性和灵活性。MMC柔性直流输电系统与其他VSCHVDC的控制系统相同,大致可分成3个层次,从高层到低层分别为系统级控制、变流器控制和阀控制,各层的主要功能不同。

图2 A相上、下半桥臂电压u au与u al

图3 直流电压u d,正母线电压+u dc/2,负母线电压-u dc/2以及电压u al,u ao

图4 直流电流 I dc、A相交流电流i a,流过A相上、下半桥臂电流i au与i al

2.1 系统级控制

系统级控制为MMC柔性直流输电系统的最高控制层次,主要功能可包含下面一项或者多项:①与电力调度中心通信联系,接受调度中心的控制指令,并向通信中心传送有关的运行信息;②根据调度中心的指令,改变运行模式及整定值等;③当一个换流站有多个变流器并联运行时,应能根据调度中心给定的运行模式、输电功率指令等分配各变流器输电回路的输电功率,当某一回变流器或者直流线路故障时,应重新分配其他回路的功率以降低对系统的影响;④快速功率变化控制,快速功率变化包括功率的提升和功率的回降,主要用于对直流所连两端交流系统或并列输电交流线路的紧急功率支援;⑤潮流反转的实现。

2.2 变流器级控制

变流器控制是MMC柔性直流输电系统的核心控制,通常采用双环控制,分别为外环功率控制和内环电流控制。其中外环控制器接受系统级控制器发出的指令参考值,根据控制目标产生合适的参考信号,并传递给内环电流控制器;内环电流控制器接受外环功率控制器的指令信号,经过一系列的运算得到变流器侧输出交流电压期望的参考值,并送到阀控层。

变流器级控制的实现方式为矢量控制(Vector Control)。矢量控制结构比较简单,其响应速度很快,很容易实现过电流等控制,适用于VSC -HVDC场合。

变流器控制主要的功能包括下面的一项或者多项:①有功功率控制(Active Pow er Control);②直流电压控制(DC Vo ltage Control);③无功功率控制(Reactive Pow er Control);④交流电压控制(AC Vo ltage Control);⑤频率控制(Frequency Control)。

针对一些特殊的应用场合,如系统一端为无源网络、风电场接入系统、孤岛供电等,还可以采用无源交流电压控制(AC Voltage Control for Passive Netw ork)。为了抑制交流系统故障时产生的过电流和过电压,防止因系统故障而损坏设备,控制系统中还应包括负序电流控制,直流过电压控制和欠电压控制等环节。

2.3 阀控

阀控主要包括同步锁相技术、电流平衡控制和直流侧电容器电压平衡控制等,它接收变流器控制器的信号,完成最终的触发任务。

2.4 新型模块化多电平VSC控制系统结构

新型模块化多电平VSC控制结构包含3个不同的单元,即监测单元、中央控制单元和换流阀单元,如图5所示。

图5 变流器控制结构简图

监测单元负责整个系统的反馈与监控,根据设定点值,反馈控制实时向中央控制单元提供数据。可利用数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)实现这一功能。中央控制单元的调制器实现子模块电容电压平衡控制。输出状态控制器用以决定优化的输出状态,以及下一调制周期内的运行顺序。

新型模块化多电平VSC根据不同的应用场合可以选择不同的调制策略,当运用高开关频率调制(如SVPWM)时,可使用PWM发生器功能计算开关状态的作用时间;当运用低开关频率调制(如特定次谐波消除)时,可使用开关角计算功能计算调制周期内可关断器件IGBT的触发角度,并直接对应于其触发时刻。

换流阀单元由结构相同的子模块串联而成,这些子模块仅通过双工光纤电缆与中央控制单元相连,将变流器中的低压单元与高压单元隔离,降低了相互影响,各子模块接受中央控制单元以光电形式周期性地发来的触发命令,同时将自身的电容电压反馈中央控制单元。数据传递以及IGBT门极驱动电路所需的能量由相应子模块的存储电容提供。各个半桥臂的电流测量系统通过光纤与中央控制单元相连。

故障检测指示会因故障类型的不同而不同,当发生过电流故障时,故障管理将自动起用故障安全运行模式,故障检测发出与系统断开指示;当发生一些易矫正的数据传输故障时,故障检测将不会产生断开指示,并通过故障诊断系统对误差源进行定位与保存,可在定期维修中将故障清除,以提高变流器的可用率及可维护性。

3 柔性直流输电工程介绍

作为新一代直流输电技术,柔性直流输电突出了全控型电力电子器件、电压源变流器和脉冲调制三大技术特点,解决了常规直流输电技术的诸多固有瓶颈。它可以实现有功功率和无功功率的独立控制,而无需无功补偿;可以无需电网短路电流的支撑换相,从而用于对无源交流系统供电;可以两站独立控制和运行,无需站间通信;可以在潮流反转时保持电压极性不变,可采用干式交联聚乙烯的直流电缆,减少了环境污染;可以实现近似正弦的交流输出,滤波容量小、占地面积小、便于模块化。根据其技术特点,柔性直流输电技术适用于风电场并网、孤岛供电、交流系统的异步互联、分布式发电并网、多端直流输电以及城市配电网增容等领域。下面分别就上述应用领域简要介绍柔性直流输电工程的应用情况。

3.1 风电场并网工程

风电场的特点是风力发电机容量较小(最大约5MW),机组台数较多,并组必须将不同发电机的电能送到统一的电网,机组互相间的有功功率分布将使系统局部波动大,同时还需配合足够的无功,因此采用柔性直流传送有相当的优势。

哥特兰岛是瑞典最大的岛屿,具有非常丰富的风力资源,岛上风力发电的快速发展,发电量从1994年的15 MW发展到1997年的48 MW。但是该岛本身的用电量较小,多余的电力需要送出;另外,在风电场运行过程中需要吸收一定的无功功率,由于多机组的分散性,使电网的电压质量较差。

为了满足风电的发展需要和保证电压质量,在南斯敦的南斯变电站和瑞典北部港口城市维斯比附近的贝克斯换流站之间采用一条柔性直流输电系统,将哥特兰岛上的风电资源送往大陆,工程于1999年秋季投入运行,是世界上第一条商用的柔性直流输电系统。该工程不仅将哥特兰岛的电能输送到瑞典本土,而且提供了风电场所需要的动态无功功率支撑,解决了潮流波动、电压闪变和频率的不稳定问题,提高了相连交流系统的稳定性,并有效改善了电能质量,充分体现了柔性直流输电系统的优良性能。应用于风电场并网的柔性直流工程还有泰伯格工程和瑙德工程。

柔性直流输电系统所提供的独立的有功和无功功率控制可以提高海上风电场运行的可靠性,并抑制电压波动。而挤压式电缆技术的使用可大大降低工程在海底和地下电缆铺设的难度,极大地缩短施工时间,同时还降低了造成环境污染的可能性。

3.2 电网互联工程

迪莱克特联结工程连接了澳大利亚新南威尔士和昆士兰两个地区的电网。由于全部采用了地下电缆来进行传输,使得迪莱克特联结工程在环境、外观方面的不利影响都降到了最小。同时,由于柔性直流输电系统的良好可控性,使两个电网之间的功率流动可以得到精确、快速的控制。而且,由于每个换流站在传输有功功率的同时还可以提供独立的无功功率,因此还可以对所连接的电网提供动态无功支撑能力。

使用柔性直流输电更不局限于两端系统必须有足够的短路容量,在中等容量的互联系统中采用柔性直流互联具有独特的优点,尤其是故障情况和系统恢复阶段,在交流系统受到分隔的情况下,柔性直流的特点更加突出。应用于电网互联的柔性直流工程还有伊格-帕斯背靠背互联工程、克劳斯-桑德互联工程、莫里联络工程、伊斯特互联工程和卡普里维互联工程。

3.3 孤岛和弱电网供电工程

2005年投运的挪威泰瑞尔柔性直流输电工程用于从挪威的克尔斯奈斯换流站向泰瑞尔海上天然气钻井平台上的用电设备供电,由于该平台上所使用的气体压缩机转速时时刻变化的,所以由柔性直流输电系统的变流器直接向上面的变速同步电机进行供电,使得同步电机的频率和运行电压在一定的范围内变化。用于孤岛供电的柔性直流输电工程还有瓦尔哈工程。孤岛供电的柔性直流工程投运后,不仅每年可以减少二氧化碳排放量,还能显著降低海上平台的运营成本和维护费用以及在海山使用燃气轮机的危险性,是可靠性高的供电方式。

3.4 城市供电工程

应用于城市供电的柔性直流工程目前仅有在建的传斯贝尔联络工程,该工程将电能从湾区东侧堡换流站送到旧金山的波特雷罗换流站,工程为东湾和旧金山之间提供一个电力传输和分配的手段,以满足旧金山的城市供电需求,增强城市供电的安全性。由于柔性直流输电系统可以提高电网的可靠性、提供电压支撑能力和降低系统损耗,因此将会改善连接这两个地区的电网安全性和可靠性。

4 上海南汇柔性直流输电示范工程

4.1 工程概况

上海南汇风电场位于南汇区滨海乡大治河口北侧沿海围垦的滩涂上,是上海电网已建的规模最大的风电场,装机总容量达到16.5 MW。南汇风电场通过2回35 kV线路经35 kV大治站接入到220 kV南汇站。南汇柔性直流输电示范工程选址于南汇风电场与大治站之间,将并列运行的两条交流线路中的一条改造为柔性直流线路,采用电缆和架空线混合传输。南汇柔性直流输电示范工程的两个换流站之间通过长度约为8 km的直流电缆连接;其中,书柔换流站通过3.6 km交流线路连接到大治变电站35 kV交流母线,风电场换流站经150 m电缆线路连接风电场变电站35 kV交流母线。示范工程接入系统方案如图6所示。

图6 示范工程接入系统方案

上海南汇柔性直流输电示范工程两端换流站均采用模块化多电平(49电平)拓扑结构,额定直流电压为±30 kV。具体参数如表1所示。

表1 示范工程变流器参数

4.2 系统运行方式

上海南汇柔性直流输电示范工程的系统运行方式主要包括以下三种:

(1)运行方式一 南汇风电场经治风线3993接入大治开关站35 kV一段母线,治风线3992备用,即风电场单独通过柔性直流与系统联接。

(2)运行方式二 治风线3992和3993并列运行,即柔性直流输电线路和交流线路并列运行将风电场接入系统,功率定值0～0.5 p.u。

(3)运行方式三 南汇风电场经治风线3992接入大治开关站35 kV二段母线,治风线3993备用,但各端换流站参与交流系统电压/无功调节,即柔性直流输电线路以STATCOM方式运行。

以上三种不同运行方式可为MMC-VSC今后应用于风电场并网、交直流电网并列运行、电网无功控制以及孤岛供电等方面提供技术支撑和相关运行经验。

4.3 系统控制策略

示范工程的不同运行方式对应不同的控制策略,具体各运行方式的控制策略如下:

(1)运行方式一 在该方式下,为满足风电场运行要求改善系统侧交流电网的运行条件,从无功调节和电压控制的角度出发,柔性直流输电系统的风电场站采用定交流电压控制,书柔站采用定无功功率控制或定交流电压控制。这是因为风电场出力不可控制,为了实现有功平衡,要求风电场站采用定交流频率控制,书柔站采用定直流电压控制。该运行方式下柔性直流输电系统换流站的控制模式为风电场站采用定频率控制、定交流电压控制;书柔站采用定直流电压控制、定无功功率控制或定交流电压控制。

(2)运行方式二 在该方式下,为满足风电场运行要求,改善系统侧交流电网的运行条件,从无功调节和电压控制的角度出发,柔性直流输电系统的风电场站应采用定交流电压控制,书柔站可采用定无功功率控制或定交流电压控制。从有功平衡的角度,风电场换流站和书柔站也可采用定有功功率控制或定直流电压控制。考虑到直流输电的特点,即两侧不能同时采用定直流电压控制或定有功功率控制。

该运行方式下柔性直流输电系统换流站的控制模式为风电场站采用定有功功率控制(定直流电流控制)或定直流电压控制、定无功功率控制或定交流电压控制;书柔站采用定直流电压控制(定直流电流控制)或定有功功率控制、定无功功率控制或定交流电压控制;风电场站和书柔站不能同时采用定直流电压控制(定直流电流控制)或定有功功率控制。

(3)运行方式三 该方式下,柔性直流输电系统以STATCOM方式运行,不传输有功功率,仅参与交流系统电压和无功调节,因此为满足风电场运行要求和改善交流电网运行条件,柔性直流输电系统风电场站采用定交流电压控制,书柔站采用定无功功率控制或定交流电压控制。该运行方式下柔性直流输电系统换流站的控制模式为风电场站采用定直流电压控制、定交流电压控制;书柔站采用定直流电压控制、定无功功率控制或定交流电压控制。

4.4 控制系统设计

上海南汇柔性直流输电示范工程中采用直接电流控制方法,其原理如图7所示。外环功率/电压控制器基于输入量与参考量的偏差进行PI调节,得到与有功功率相关的d轴电流分量和与无功功率相关的q轴电流分量,然后再将这些分量输入到内环电流解耦控制器内,最后通过坐标变换后输出VSC参考波,实现对VSC换流阀的控制。

图7 MMC-VSC柔性直流示范工程控制策略原理

根据这一控制原理,可以采用图8所示的MMC-VSC控制系统结构。其中,外环功率控制可以实现定直流电压控制、有功功率控制、定频率控制、无功功率控制和定交流电压控制等控制目标;内环电流控制器可实现变流器交流侧电流波形和相位的直接控制,以快速跟踪参考电流; VBC阀控模块实现桥臂子模块电容电压平衡控制以及产生各子模块触发脉冲功能。

图8 MMC-VSC柔性直流示范工程控制系统结构

5 结论

本文对MMC-VSC直流输电技术的基本原理、控制方式进行了介绍,对世界范围内柔性直流输电工程的应用情况进行了总结,概括了这种技术的应用领域。给出了上海南汇柔性直流输电示范工程的工程概况、运行方式及控制系统的设计。上海南汇柔性直流输电示范工程是国内首个柔性直流输电工程,也是国内第一条基于模块化多电平变流器的柔性直流输电科技示范工程,该工程将为今后的风电场并网、孤岛供电、柔性直流交直流并列运行、电网无功控制等提供有力的技术支撑和相关的运行经验,同时为我国柔性直流输电技术研究和工程建设的发展起到积极的推动作用。

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