模块化多电平换流器型高压直流输电综述
2012-06-25滕松宋新立李广凯叶小晖刘涛仲悟之
滕松,宋新立,李广凯,叶小晖,刘涛,仲悟之
(1.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定 071003;2.中国电力科学研究院,北京 100085)
模块化多电平换流器型高压直流输电综述
滕松1,宋新立2,李广凯1,叶小晖2,刘涛2,仲悟之2
(1.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定 071003;2.中国电力科学研究院,北京 100085)
Project Supported by Major Projects on Large-Scaled Grid of State Grid Corporation of China(SGCC-MPLG001-2012).
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。GTO、IGBT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。
传统的直流输电主要基于晶闸管电流源换流器,其具有以下固有缺陷:
1)只能工作在有源逆变状态,且受端系统必须有足够大的短路容量,否则容易发生换相失败。
2)换流器产生的谐波次数低、容量大。
3)换流器需吸收大量的无功功率,需要大量的滤波和无功补偿装置。
4)换流站占地面积大、投资大。
5)由于技术和经济的原因,在近距离小容量的输电场合难以应用。
因此,传统的直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域[1-2]。
随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻,国家将大力开发和利用可再生清洁能源,优化能源结构。风能、太阳能等可再生能源利用规模不断扩大,其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点,使得采用交流输电技术或传统的电流源换流器型直流输电技术联网显得很不经济。同时,海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷,目前采用昂贵的本地发电装置,既不经济,又污染环境。另外,城市用电负荷的快速增加,需要不断扩充电网容量。因此,迫切需要采用更加灵活、环保、经济的输电方式解决以上问题。
由于采用以全控型可关断器件构成的电压源换流器以及PWM脉宽调制控制技术为基础,使得MMC-HVDC输电方式有一些传统HVDC无法比拟的优点,如这种输电技术能向无源网络供电、能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、换流站间不需要通讯而且易于实现多端系统。另外,该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援,在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。
针对电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC),MMC-HVDC也有其优越之处[3-6]。首先是由于MMC将VSC的两电平或三电平提高到几十电平甚至上百电平,从而在维持耐压水平的基础之上增大系统电压等级、大大减少了开关器件的开关频率从而减小开关损耗、输出电压波形更趋近正弦波从而进一步减产谐波含量,另外,MMC采用完全一致的模块化技术,其模块化结构使其可扩展性强,便于实现冗余控制,在研发、制造、动态和静态均压以及减小环流方面有着重要优势。3种直流输电方式比较见表1。
表13 种直流输电方式比较Tab.1 The comparison of three kinds of DC power transmission
1 MMC拓扑结构和基本原理
1.1 MMC拓扑结构
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[7-8]。
图1 三相MMC的拓扑结构Fig.1 The topological structure of three-phase MMC
图2 MMC子模块结构Fig.2 The submodule structure of MMC
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。
根据以上介绍,总结MMC拓扑具有以下优点:
1)高度的模块化设计,系统具有良好的扩展性,整体设计非常灵活。
2)较低的开关频率,从而降低开关损耗,系统效率得到提高。
3)允许使用工业标准器件,具有较好的器件供应,提高了系统可靠性。
4)桥臂电流工作于连续模式,当直流母线发生短路故障时,交流电抗器可以限制交流电流,起到保护作用;直流母线短路电流不会对电容进行放电,所以故障恢复较快。
MMC在降低开关损耗和电磁兼容等方面具有较大的优势,更适合在高压领域应用。
1.2 MMC基本原理
MMC-HVDC通过子模块的串联来增加电平数,从交流侧看,每相上/下桥臂所有子模块都是串联在一起的,其交流输出电压是所有子模块输出电压的代数和,多电平换流器是由多个电平台阶来合成阶梯波,以逼近正弦输出电压,电平数越多,所得到的阶梯波电平台阶就越多,从而越接近正弦波,谐波成分越少。从理论上讲,多电平换流器可以通过合成无穷多个电平台阶,最终实现零谐波的输出[9]。但在实际应用中,受到硬件条件和控制复杂性的制约,通常在满足性能指标的前提下,并不追求过高的电平数。
MMC子模块正常工作共有3种状态:
1)闭锁状态。T1和T2均关断。一般在启动和故障时候使用。
2)投入状态。T1(上面的IGBT)开通,T2(下面的IGBT)关断,此时子模块输出电压为电容电压Vc。
3)切除状态。T1(上面的IGBT)关断,T2(下面的IGBT)开通,此时子模块输出电压为0。
每个子模块都可看作1个可控的电压源,通过控制2个IGBT的导通和关断,可以实现子模块的端口输出电压在0和电容电压Vc之间切换,实现了该子模块从对应桥臂中投入或切除。通过控制上、下桥臂的开关状态,就可以对输出电压进行调制,从而在输出端得到所需要的交流电压。另外MMC在正常工作时要注意维持直流电压的稳定,就是3个相单元中处于投入状态的子模块数都相等且不变,使三相上下桥臂电压之和相等。
2 MMC-HVDC技术特点
1)正常运行时,MMC可以同时且独立地控制有功功率和无功功率,控制更加灵活方便。
2)MMC电流能够自关断,可以工作在无源逆变方式,所以不需要外加的换相电压,受端系统可以是无源网络,使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能[9-10]。
3)MMC不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM的作用,动态补偿交流母线的无功功率,稳定交流母线电压。这意味着故障时,如果MMC容量允许,那么MMC-HVDC系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援,又可提供无功功率紧急支援,从而既能提高系统的功角稳定性,又能提高系统的电压稳定性。
4)MMC-HVDC系统在潮流反转时,直流电流方向反转而直流电压极性不变,与传统HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性地并联多端直流系统,克服了传统多端HVDC系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点[11]。
5)由于MMC交流侧电流可以被控制,所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的MMC-HVDC线路后,交流系统的保护整定基本不需改变。
6)MMC通常采用PWM技术,开关频率相对较高,经过高通滤波后就可得到所需交流电压,可以不用变压器,从而简化了换流站的结构,并且基本不需要滤波装置[12]。
7)模块化设计使MMC-HVDC的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时,换流站的占地面积仅约同容量下传统直流输电的20%。
8)MMC-HVDC可以用于电网黑启动。
9)MMC-HVDC的电网故障后快速恢复控制能力良好。
10)换流站间的通讯不是必需的,其控制结构易于实现无人值守。
3 MMC-HVDC关键技术
3.1 电容电压平衡
系统直流侧电压是由各个子模块直流侧电容来支撑的,因此,需要控制同一相各个子模块直流侧电容电压的均衡。但由于各个子模块的电容提供给驱动电路电源的功率不可能完全相同,各个子模块的损耗也不完全一致,加上控制算法中各个子模块的通断时刻也不一致,将使得各个子模块直流电容电压不平衡和不稳定。
文献[13-14]提出一种周期性测量每个桥臂各个子模块的直流侧电容电压的大小和各个桥臂的电流方向,并将其进行分类,然后根据控制算法得到桥臂所处的电平数和桥臂的电流方向,对各个子模块进行控制,最终达到模块化多电平换流器桥臂内部各个子模块电容电压的均衡。
文献[15]在分析静止同步串联补偿器的各个直流电容电压不平衡原因的基础上,提出“分层控制”的思想建立直流电压均衡的控制策略。即采用3个步骤:合理选择直流电压的调定值和直流电容的参数值;通过调制策略来平衡直流电压;通过控制策略保持直流电压的稳定。
以上2种方法都需要采样各个直流侧电容电压的大小,并将其送至系统的总控制器中,进行一定繁琐的排序计算,需要很好的测量和传输方法,在一定程度上增加了控制的复杂性和难度,
文献[16]分析了链式逆变器的STATCOM直流电容电压稳态数学模型,揭示了电容电压不平衡现象的机理,提出基于直流母线能量交换的直流电容电压平衡的方法和基于交流电源母线能量交换的最大(或最小)电容电压均衡的方法。但这2种方法的缺点是需要1个乃至2个隔离变压器和其他换流器,增加了系统的复杂性和实现起来的难度。
另外,可以在子模块直流侧电容两端并联1个IGBT和电阻R串联的分支。在各个子模块中,实时的测量电容电压的值,当电容电压的值大于某1个设定的最大值的时候,开通IGBT通过功率电阻R对电容进行放电,使得电容电压降低,而原来电容电压低的子模块,根据系统直流侧电压由各个子模块直流侧电容电压组合得到的工作原理,其电容电压会自动地得到抬升。通过这种电路就能很容易地实现电容电压的均衡,并且该结构只是对电容电压进行微调,并不一直使IGBT开通,即消耗在卸载电阻R上的功率很小,不会造成大的功率损耗。
3.2 子模块电容值及电平数的选取
文献[17]深入分析模块化多电平换流器的本质工作机制,从换流器桥臂功率脉动与能量脉动角度,结合子模块电压纹波系数,对其子模块电容参数进行合理设计。
以上文献没有考虑子模块电压的波动与运行状态的关系。文献[18]从MMC-HVDC系统能量交换过程、有功功率控制动态响应特性、暂态能量交换过程及直流双极短路故障时桥臂的保护要求等方面分析了子模块电容电压值与直流系统运行特性之间的数学关系,并根据分析结果,给出了子模块电容值的选取原则。
文献[19]分析了影响换流器输出电压电平数的3个关键因素,即控制其出发频率、子模块个数和电压调制比,推导了影响电平数的2个控制器触发频率临界值,并得出了换流器输出电压总畸变率与以上三者的关系,为电平数的确定提供了理论依据。
3.3 MMC桥臂相间环流
由于MMC的三相桥臂相当于并联在直流侧,而稳态运行时各桥臂间的电压不可能完全一致,因此,必然会在MMC的三相桥臂间产生环流,从而使正弦的桥臂电流波形发生畸变。
文献[20-21]对环流的产生机理进行了详细研究,指出可以通过适当增大桥臂电抗的取值,将内部环流的大小限制在一定的范围内。但仅采用增大桥臂电抗的方式,只是被动地增大了环流阻抗,不可能完全消除环流,并且这种方法在实际工程应用中的成本较高。
文献[22]采用二倍频负序旋转坐标变换将换流器内部的三相环流分解为2个直流分量,并设计了相应的环流抑制控制器,从而消除了桥臂电流中的环流分量,大大减小了桥臂电流的畸变程度,使其更逼近正弦波,可以在不用增大桥臂电抗值的情况下,有效地抑制换流器的内部环流,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生负面影响。
3.4 MMC控制策略
3.4.1 消谐波PWM法(SH-PWM)
SH-PWM的原理是电路的每相使用1个正弦调制波与几个平行的三角波进行比较[23-24]。其优点是能很好地控制谐波,缺点是动态特性差,计算量随着电平数的增大而急剧增大,因此适用于电平数不太多的场合。
3.4.2 载波移相正弦脉宽调制(CPS-SPWM)
载波移相SPWM技术的基本思想是n个变换器单元采用n个移位的三角波与正弦波进行比较[25]。其特点有:
1)各变换器单元的开关频率低,便于组成大功率变流装置,降低器件开关损耗。
2)输出谐波小,可大大减小滤波器的体积。
3)等效开关频率高,传输频带宽,传输线性好,容易引入一些优秀的控制方法,如滞环电流控制、单周控制等。
3.4.3 空间矢量调制(SVPWM)
空间电压矢量技术的原理是通过指定区域相应的电压矢量适时切换合成得到要求的空间电压矢量。其优势表现在模型简单,在大范围的调制比内具有很好的性能,并且母线利用率高[26-28]。但是,应用于5电平以上的多电平电路时其控制算法将变得非常复杂。随着电平数量的增加,空间矢量调制技术存在器件导通负荷不均衡的现象。
MMC每相常由几十个甚至上百个模块级联而成,因此MMC交流侧输出的脉宽调制(PWM)电压阶梯数较高。此时,通过不同的PWM方式如消谐波PWM(SH-PWM)、载波相移正弦脉宽调制(CPS-SPWM)、空间矢量PWM(SVPWM)等得到的多电平输出电压,其谐波性能之间的差距已经退居为次要因素。电平数很高时,PWM算法的简单性、快速性、能否占用较小的硬件资源跃居为主要因素。
3.4.4 阶梯波脉宽调制
阶梯波脉宽调制技术的原理是用阶梯波来逼近正弦波,阶梯波调制就能达到很好的输出特性,且其开关次数小于PWM,能够明显减少开关损耗。这种策略的优点是实现简单、开关频率最低(等于基波频率),因而开关损耗最小,器件的主要损耗是通态损耗[29-30]。通过调节直流母线电压或移相角来实现输出电压的调节,此外,还可以通过选择每个电平持续时间的长短,来实现低次谐波的消除和抑制。
3.4.5 最近电平逼近(NLM)技术
其原理是使用最近电平瞬时逼近调制波,适合用于电平数较多的场合。使用N L M策略的MMC在较大的工作范围内都具有很好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平。随着电平数的增多,最近电平逼近法更具有优势[31-32]。
可以看出MMC的调制策略纷繁复杂,特点各异,每种调制策略也因此适用于不同的场合使用来满足MMC系统对某项特性的更好匹配,现将以上提到的经典控制策略的特点及应用场合总结如表2所示。
表2 控制策略特性比较Tab.2 The comparison of characteristics for control strategy
4 国内外研究现状及工程应用
4.1 国内外研究现状
自从1997年瑞典的Hellsjon工业试验工程成功运行以来,国内外学者就对新型的柔性直流输电技术给予了厚望,并开展了广泛并且深入的研究。随着研究的深入,VSC-HVDC技术不断成熟[32],短短几年之内已有十几条线路投运,基本由ABB公司承担。
而后,西门子公司在VSC基础之上,将电平数提高,并将器件完全模块化,发展了模块化多电平换流器MMC,保留并大大提升了柔性直流输电的各方面性能。
对于MMC,国内的研究比较活跃,MMC的技术较新,中国电力科学研究院、华北电力大学、浙江大学、合肥工业大学等单位已经开展了这方面的基础理论研究,研究工作主要集中在MMC-HVDC的建模仿真,MMC-HVDC的控制和保护策略等,并取得了相应的成果。
4.2 MMC-HVDC工程应用
由Siemens公司承担的美国Trans Bay Cable工程是世界上第一个采用模块化多电平换流器(MMC)技术的电压源换流器型直流输电工程。该项目从匹兹堡通过一个全长约82.295km的海底输电线路延伸至旧金山,输送功率达到400M W,以确保旧金山电力的可靠性。
2008年8月,国家电网公司开始开展柔性直流关键技术研究及示范工程(上海南汇风电场)实施,并与2011年3月成功试运行。该工程是我国首个采用模块化多电平换流器直流输电技术实现风电并网的工程,该工程容量为20M V·A,电压等级为±30kV。
表3 MMC-HVDC工程主要技术指标Tab.3 The main technical indexes of MMC-HVDC
5 结语
MMC-HVDC工程涉及电力系统、材料、控制等学科。由于目前国内研究尚处于起步阶段,相关工程实践还不多,经验还不是很足,因此在开展MMC-HVDC技术工程应用的研究中,要充分调研国外MMC-HVDC技术的研究成果和相关工程经验,对其关键技术进行重点研究。
可以相信,随着电力电子器件、计算机控制等技术的不断发展,MMC-HVDC的输送容量、电压等级将不断提高,而系统损耗和成本将不断下降,加上国内外现有实际工程的运行经验以及能源战略和能源结构的不断调整和完善,MMC-HVDC必将在分布式发电并网、新能源发电并网、孤岛供电、电网黑启动、交流电网互联、城市电网供电等应用领域得到更快的发展。
[1]文俊,张一工,韩民晓,等.轻型直流输电:一种新一代的 HVDC 技术[J].电网技术,2003,27(1):47-51.
WEN Jun,ZHANG Yi-gong,Han Min-xiao,et al.HVDC based on voltage source converter:a new generation of HVDC technique[J].Power System Technology,2003,27(1):47-51(in Chinese).
[2]张东辉,冯晓东,孙景强,等.柔性直流输电应用于南方电网的研究[J].南方电网技术,2011,5(2):1-6.
ZHANG Dong-hui,FENG Xiao-dong,SUN Jing-qiang,et al.Research of VSC HVDC application to China southern power grid[J].Southern Power System Technology,2011,5(2):1-6(in Chinese).
[3]CHUCOB E,WATANABE H.Comparative study of dynamic performance of HVDC system based on conventional VSC and MMC-VSC[J].Bulk Power System Dynamics and Control,2010,1(6):12-17.
[4]孙泽文,郑良广.基于模糊PI控制的海上风电柔性直流输电整流器研究[J].电网与清洁能源,2009,25(9):45-48,53.
SUN Ze-wen,ZHENG Liang-guang.Research on rectifier of offshore wind energy flexible direct current transmission based on fuzzy PI control[J].Power System and Clean Energy,2009,25(9):45-48,53(in Chinese).
[5]李广凯,江政昕,赵昕,等.电压源换流器高压直流输电的特点与前景[J].南方电网技术,2011,5(5):13-17.
LI Guang-kai,JIANG Zheng-xin,ZHAO Xin,et al.The characteristics and prospectofVSC-HVDC power transmission[J].Southern Power System Technology,2011,5(5):13-17(in Chinese).
[6]辛俊峰,韩金铜,康金良.基于直流电压下降特性的VSC-MTDC控制策略研究[J].电力科学与工程,2011,27(8):42-46.
XIN Jun-feng,HAN Jin-tong,KANG Jin-liang.Research on the control strategy for VSC-MTDC based on the DC voltage drop characteristics[J].Electric Power Science and Engineering,2011,27(8):42-46(in Chinese).
[7]王珊珊,周孝信,汤广福,等.模块化多电平电压源换流器的数学模型[J].中国电机工程学报,2011,31(24):1-8.
WANG Shan-shan,ZHOU Xiao-xin,TANG Guang-fu,et al.Modeling of modular multi-level voltage source converter[J].Proceedings of the CSEE,20011,31(24):1-8(in Chinese).
[8]汤广福,贺之渊,滕乐天,等.电压源换流器高压直流输电技术最新研究进展[J].电网技术,2008,32(22):39-44.
TANG Guang-fu,HE Zhi-yuan,TENG Le-tian,et al.New progress on HVDC technology based on voltage source converter[J].Power System Technology,2008,32(22):39-44(in Chinese).
[9]徐政,陈海荣.电压源换流器型直流输电技术综述[J].高电压技术,2007,33(1):1-10.
XU Zheng,CHEN Hai-rong.Review and applications of VSC HVDC[J].High Voltage Engineering,2007,33(1):1-10(in Chinese).
[10]GEMMELL B,DORN J,RETZMANN D,et al.Prospects of multilevel VSC technologies for power transmission[C].Transmission and Distribution Conference and Exposition,2008:l-16.
[11]丁冠军,汤广福,丁明,等.新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略[J].中国电机工程学报,2009,29(36):1-8.
DING Guan-jun,TANG Guang-fu,DING Ming,et al.Topology mechanism and modulation scheme of a new multilevel voltage source converter modular[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(36):1-8(in Chinese).
[12]赵成勇,刘涛,郭春义,等.基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器的建模[J].电网技术,2011,35(11):85-90.
ZHAO Cheng-yong, LIU Tao, GUO Chun-yi, et al.Modeling of modular multilevel converter based on realtime digital simulator[J].Power System Technology,2011,35(11):85-90(in Chinese).
[13]MARTIN GLINKA,RAINER MARQUARDT.A new AC/AC multilevel converter family[C].IEEE Transactions on Industrial Electronics,June,2005.
[14]DORN J,HUANG H,RETZMANN D.Novel voltagesourced converters for HVDC and FACTS applications[C].Proceedings of the Cigré Symposium.Osaka, Japan:International Council on Large Electric Systems,2008:1-8.
[15]姜旭.H桥级联式SSSC主电路拓扑分析及控制策略研究[D].北京:华北电力大学(北京),2007.
[16]刘文华,宋强,滕乐天,等.基于链式逆变器的50MV·A静止同步补偿器的直流电压平衡控制[J].中国电机工程学报,2004,24(4):145-150.
LIU Wen-hua,SONG Qiang, TENG Le-tian, et al.balancing control of DC voltages of 50MV·A STATCOM based on cascade multilevel inverters[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(4):145-150(in Chinese).
[17]丁冠军,丁明,汤广福,等.新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略[J].中国电机工程学报,2009,29(30):1-6.
DING Guan-jun,DING Ming,TANG Guang-fu,et al.Submodule capacitance parameter and voltage banlancing scheme of a new multilevel VSC modular[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(30):1-6(in Chinese).
[18]王珊珊,周孝信,汤广福,等.模块化多电平HVDC输电系统子模块电容值的选取和计算[J].电网技术,2011,35(1):26-32.
WANG Shan-shan,ZHOU Xiao-xin,TANG Guang-fu,et al.Selection and calculation for sub-module capacitance in modular multi-level converter hvdc power transmission system[J].Power System Technology,2011,35(1):26-32(in Chinese).
[19]屠卿瑞,徐政,姚为正.模块化多电平换流器型直流输电电平数选择研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(20):33-38,44.
TU Qing-rui, XU Zheng, YAO Wei-zheng.Selecting number of voltage levels for modular multilevel converter based HVDC[J].Power System Protection and Control,2010,38(20):33-38, 44(in Chinese).
[20]杨晓峰,王晓鹏,范文宝,等.模块组合多电平变换器的环流模型[J].电工技术学报,2011,26(5):21-27.
YANG Xiao-feng,WANG Xiao-peng,FAN Wen-bao,et al.Circulating current model of modular multilevel converters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(5):21-27(in Chinese).
[21]屠卿瑞,徐政,郑翔,等.模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析[J].高电压技术,2010,36(2):547-552.
TU Qing-rui,XU Zheng,ZHENG Xiang,et al.Mechanism analysis on the circulating current in modular multilevel converter based HVDC[J].High Voltage Engineering,2010,36(2):547-552(in Chinese).
[22]屠卿瑞,徐政,管敏渊.模块化多电平换流器环流抑制控制器设计[J].电力系统自动化,2010,34(18):57-61.
TU Qing-rui,XU Zheng,GUAN Min-yuan.Design of circulating current suppressing controllers for modular multilevelconverter[J].Automation ofElectric Power Systems,2010,34(18):57-61(in Chinese).
[23]吴洪洋,何湘宁.级联型多电平变换器PWM控制方法的仿真研究[J].中国电机工程学报,2001,21(8):42-46.
WU Hong-yang, HE Xiang-ning.Research on PWM control of acascade multilevel converter[J].Proceedings of the CSEE,2001,21(8):42-46(in Chinese).
[24]李均强,高亚静,常鹏,等.三相VSR及其控制策略仿真研究[J].电力科学与工程,2012,28(2):12-17,25.
LI Jun-qiang,GAO Ya-jing,CHANG Peng,et al.Simulation of three-phase VSR and its control strategy[J].Electric Power Science and Engineering,2012,28(2):12-17,25(in Chinese).
[25]刘钟淇,宋强,刘文华.新型模块化多电平变流器的控制策略研究[J].电力电子技术,2009,43(10):5-8.
LIU Zhong-qi,SONG Qiang,LIU Wen-hua.Research on control of the novel modular multilevel converters[J].Power Electronics,2009,43(10):5-8(in Chinese).
[26]张超伟.多电平变流器电压空间矢量SVPWM控制方法的研究[D].南昌:华东交通大学,2008.
[27]孟庆天,李含善,任永峰,等.基于空间电压矢量脉宽调制的SPQC仿真研究[J].电力科学与工程,2008,24(3):16-19.
MENG Qing-tian,LI Han-shan,REN Yong-feng,et al.Simulation study of SPQC using SVPWM based on a novel algorithm[J].Electric Power Science and Engineering,2008,24(3):16-19(in Chinese).
[28]李强,贺之渊,汤广福,等.新型模块化多电平换流器空间矢量脉宽调制的通用算法[J].电网技术,2011,35(5):59-64.
LI Qiang,HE Zhi-yuan,TANG Guang-fu,et al.A generalized algorithm of space-vector PWM for a new type of modular multilevel converter[J].Power System Technology,2011,35(5):59-64(in Chinese).
[29]HAGIWARA M,AKAGI H.PWM control and experiment of modular multilevel converters[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2008:154-161.
[30]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.
[31]管敏渊,徐政,潘伟勇,等.最近电平逼近调制的基波谐波特性解析计算[J].高电压技术,2010,36(5):1327-1332.
GUAN Min-yuan,XU Zheng,PAN Wei-yong et al.Analytical calculation of fundamental wave and harmonic characteristicsfor nearest level modulation[J].High Voltage Engineering,2010,36(5):1327-1332(in Chinese).
[32]许树楷,梁允源,郭自勇.中海油文昌柔性直流输电系统现场试验[J].南方电网技术,2011,5(4):1-4.
XU Shu-kai,LIANG Yun-yuan,GUO Zi-yong.Field commissioning test of CNOOC wenchang VSC-HVDC transmission system[J].Southern Power System Technology,2011,5(4):1-4(in Chinese).
A Survey on HVDC Transmission with Modular Multilevel Converters
TENG Song1,SONG Xin-li2,LI Guang-kai1,YE Xiao-hui2,LIU Tao2,ZHONG Wu-zhi2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100085,China)
HVDC transmission with modular multilevel converter(MMC),a new generation of dc transmission technology,has been rapidly growing.This paper,firstly,compares the MMCHVDC with the traditional HVDC and VSC-HVDC to demonstrate the superior performanceof the MMC-HVDC,Secondly,a comprehensive analysis is made in the aspects of topology structure and working principle with a focus on the technical characteristics and key technology of the MMC.Comparisons and analyses are made on the different control strategies,the advantages,and the disadvantages,and the specific applicable occasions.In addition,the paper reviews recent research and the engineering applications of the MMC-HVDC at home and abroad,concluding that the MMC-HVDC has a wide prospect of applications and it is an important developing direction of HVDC in the future.
modular multilevel converter; HVDC; voltage balance of the capacitor;MMC
模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型直流输电采用模块化结构,是新一代直流输电技术,发展非常迅速。将MMC-HVDC和传统直流、VSC-HVDC进行了比较,说明了其优越的性能;对MMC从拓扑结构、工作原理作了全面分析并重点研究了MMC的技术特点和关键技术,对比分析了不同控制策略的优势与不足以及分别的适用场合;通过介绍MMC-HVDC的国内外研究现状及工程应用,表明模块化多电平换流器型直流输电应用前景广泛,是未来直流输电的一个重要发展方向。
模块化多电平换流器;HVDC;电容电压平衡;MMC
国家电网公司大电网重大专项资助项目课题(SGCC-MPLG001-2012)。
1674-3814(2012)08-0043-08
TM 721
A
2012-04-19。
滕 松(1986—),男,硕士研究生,主要研究方向为柔性高压直流输电及电力系统仿真软件开发;
宋新立(1971—),男,硕士,高级工程师,主要从事电力系统仿真软件开发和电力系统分析工程研究;
李广凯(1975—),男,博士,副教授,主要研究方向为电力系统分析、运行、控制、新型输配电等技术;
叶小晖(1985—),男,硕士,工程师,主要从事电力系统仿真建模与软件开发,电力系统仿真分析研究;
刘 涛(1984—),男,硕士,工程师,主要从事电力系统仿真建模与软件开发、电力系统分析工程研究;
仲悟之(1979—),男,博士,工程师,研究方向为电力系统仿真与分析。
(编辑 董小兵)