模块化多电平换流器型直流输电

顾晓飞 杨勇圣

【摘要】电网规模不断扩大，清洁能源的开发利用越来越受到关注，智能电网让太阳能、风能等新能源并入电网并能对其介入过程自行控制，对清洁能源的投入并网和补偿机制的研究势在必行。本文结合南汇风电场柔性直流输电工程，简单分析柔性直流输电的控制原理及基础理论。

【关键词】柔性直流 控制方式 换流阀

1引言

上海南汇柔性直流输电技术示范工程是国内首例柔性直流输电工程，将上海南汇风电场发出的风电能源并入上海电网之内。

柔性直流输电技术通过对两端电压源换流器的有效控制可以实现两个交流有源网络之间有功的相互传送，在有功传送的同时，各端电压源换流器还可以调节各自所吸收或发出的无功，对所联两端交流系统予以无功支持，是一种具有快速调节能力、多控制变量的新型直流输电系统。

2一次系统结构

柔性直流换流站的一次系统结构为35KV交流系统通过开关连接至换流变，将交流侧的电压变换为换流阀输入所需要的电压（31KV）然后进行交/直流变换（直流电压为±30KV），通过直流线路输送至对侧换流站再进行直/交流变换。每个桥臂每相分别安装一个阀电抗器。阀电抗器是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，它决定换流阀的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时阀电抗器能抑制换流阀输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。另外，换流电抗器还能抑制短路电流。

3柔性直流运行模式和控制方式

MMC可以通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，独立地控制输出的有功功率和无功功率。

有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于Uc。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Uc就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可视为一无转动惯量的电动机或发电机，可以实现有功和无功功率的瞬时独立调节，进行四象限运行。

4柔性直流换流阀原理

模块化多电平换流器阀是由多个IGBT子模块进行级联而成的，单个子模块中由两个IGBT串联组成一个半桥换流器，同时并联一个直流支撑电容，辅助元件包括快速旁路开关（真空断路器）、短路保护晶闸管（压接式晶闸管）、均压电阻、还有子模块控制器（SMC，Sub-ModuleControllers）。旁路开关的作用：用于切除故障模块的快速切除和冗余模块的快速投入。当旁路开关合位时，此子模块处于“冷备用”。当旁路开关分闸时，将子模块投入，当旁路开关合闸时，将故障模块切除，一旦子模块发生故障旁路开关合闸后，必须等到换流阀改为检修状态时方可打开。短路保护晶闸管的作用：在直流侧短路故障发生后，断路器断开前这段时间内进行处触发导通，以承担本应该流过续流二极管的过电流，起到保护续流二极管的作用。均压电阻的作用：起到为电容器电压提供一个静态均压的作用，另外还为均压控制中的电容电压反馈提供一个电阻分压后的检测通道。子模块控制器的作用：接受VBC的信号，导通和关断IGBT，触发短路保护晶闸管，控制旁路断路器，测量电容电压，并将子模块相关状态信息量上传VBC。

两个IGBT将对应四种开关状态，但是由于子模块自身的特点，两个IGBT同时开通时将造成电容器的短路放电，产生非常大的短路电流，并且如果保护不当将造成器件损坏，因此这种状态是不允许出现的。具体的状态分析如下：

4.1状态1：两个IGBT都处于关断

此状态可以看做两电平换流器的一相桥臂两个开关器件关断。当电流从直流正极向交流端流动时（定义为正向），电流流过子模块的续流二极管D1向电容充电；当电流反向流动，则将直接通过续流二极管D2将子模块旁路。

在正常运行时，此状态不应该出现。只有当系统处于启动充电过程中，将所有的调制子模块（SM）置成此状态，通过续流二极管D1为电容充电。此外，当出现严重故障情况下，所有的子模块也将控制成此种状态。

4.2状态2：IGBT1开通，IGBT2关断

此状态下，当电流正向流动时，电流将通过续流二极管D1流入电容，对电容充电；当电流反向流动时，电流将通过IGBT1为电容放电。此工作状态有如下特点：电流可以双向流动；不管电流从何种方向流动，子模块输出端总会引出子模块电容电压；子模块电容可以充、放电，取决于电流的方向，这一特点可帮助各子模块电容电压均衡、将其维持在同一水平值。

4.3状态3：IGBT1关断，IGBT2开通

此状态下，当电流正向流通时，电流将通过IGBT2将子模块（SM）的电容电压旁路；当电路方向流通时将通过续流二极管D2将电容旁路。此时的工作状态具有如下特点：电流可以双向流动；不管电流从何种方向流动，子模块电容电压不会受到影响；子模块输出端引出的仅是开关器件的通态压降，约为零电压，这一特点使子模块能够冗余。

5结语

柔性直流技术作为新技术发展很快，实际运用也将越来越广泛，为验证新技术的稳定性和可靠性，需要技术人员通过结合实际反复改进试验方法，让可再生能源得到更多利用。

参考文献：

[1]管敏渊，徐政，屠卿瑞，潘伟勇.模块化多电平换流器型直流输电的调制策略[J].电力系统自动化，2010.1.

[2]李庚银，吕鹏飞，李广凯，等.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].电力系统自动化，27（4），2003：77-80．