基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的设计

周洋，江道灼，陈峰，唐伟佳，胡鹏飞，尹瑞

(浙江大学电气工程学院，杭州市 310027)



基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的设计

周洋，江道灼，陈峰，唐伟佳，胡鹏飞，尹瑞

(浙江大学电气工程学院，杭州市 310027)

传统基于电压源换流器(voltage source controller，VSC)的统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低，同时在运行过程中也有遭受短路故障的可能性和风险，特别是在大容量高电压的场合下，极易造成器件的损坏。将模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)引入UPFC中，同时改进MMC的控制策略以适应所提拓扑的要求，同时由于MMC的引入，短路故障的风险进一步加大，因此在MMC-UPFC的基础上设计了限流模块，该限流模块能在系统短路故障下有效地抑制短路电流，且该限流器在正常工作情况下并不会给线路增加负担。整个UPFC的拓扑具有模块化程度高、谐波小、容量扩展、短路快速限流等特点，该文所设计的拓扑增加了系统的可靠性、安全性和经济性。

柔性交流输电系统；统一潮流控制器(UPFC)；故障限流；模块化多电平换流器(MMC)

0 引 言

柔性交流输电系统的发展使得大量的柔性装置被广泛应用于电力系统，统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是第三代FACTS装置的代表，其功能非常强大，可为电网提供先进的控制手段，而目前国内外有关UPFC的研究主要集中于其潮流控制策略[1-3]、工程应用[4-5]以及衍生装置[6]等诸多方面。同时，近年来，模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)由于其模块化的拓扑结构，保证了其适用于高压大容量的场合，相比于传统的两三电平拓扑，MMC具有很强的可扩展性，同时输出波形良好，冗余容错控制能力强等优势[7-8]。可扩展的电平数通过合适的调制方式可以大幅提高输出电压的波形质量，提高了系统的可靠性和稳定性。而目前针对MMC的研究则主要集中暂态稳态数学建模[9-10]、调制控制策略[11-13]、相间环流抑制策略[14-15]和交直流系统故障保护[16-17]等。

由文献[18-19]可知，经过仿真模拟和多次样机实验，基于VSC的限流式UPFC波形输出质量较差，系统总的容量较小，难以应用到中高压的柔性输电领域，因此构建基于MMC的限流式UPFC具有很强的技术优势。基于MMC的UPFC-FCL由UPFC和限流器(fault current limiting, FCL)这2个模块通过串联耦合变压器连接组成，电网正常运行状态下，整个装置等效为常规UPFC模式对线路潮流进行调节，当装置在安装点附近发生短路故障时，限流器模块能够立即自动变为高阻抗状态插入系统回路中保护系统的正常工作。

1 基于MMC的UPFC-FCL拓扑和工作原理

1.1 拓扑结构

基于MMC的UPFC-FCL电路拓扑结构如图1 所示，图示为多端系统，UPFC装置由串联侧和并联侧构成，串并联侧均采用MMC为主要结构，两侧换流器由中间的直流母线连接，其并联整流侧和串联逆变侧均由MMC构成，MMC每相包括上下2个桥臂，每个桥臂由N个子模块级联组成，每个子模块包括2个带反并联二极管的IGBT和1个直流电容。UPFC并联侧通过从系统吸收有功来稳定直流侧的母线电压，同时通过串联侧，向系统输出经过调节后的电压，而电压的幅值、相角等则通过UPFC来调节。同时拓扑在UPFC的串联侧模块连接一个限流器，它采用三相桥式固态限流器的结构[20]，主要进行故障时的短路限流。在图1中，串联变压器原边串联接入三相交流电网输电线路，副边的一端接UPFC的串联输出端，一端接三相桥式固态限流器。

1.2 MMC开关周期平均模型的建立

MMC的拓扑结构如图2所示。

图1 MMC-UPFC-FCL基本电路拓扑Fig.1 Basic circuit topology of MMC-UPFC-FCL

图2 MMC电路拓扑Fig.2 Circuit topology of MMC

图3所示为上、下桥臂等电位点Uoi(i=a,b,c)与桥臂电压Upi、Uni以及直流电压之间的关系。

图3 MMC桥臂电压、交流输出电压和直流电压关系Fig.3 Relationship of bridge arm voltage, AC output voltage and DC voltage of MMC

由基尔霍夫电压定律，可分别得到MMC上下桥臂开关周期平均模型关系式如下：

(1)

(2)

假设上、下桥臂子模块参数及电容电压对称，即Rp=Rn=R，Usmp=Usmn=Usm；将式(1)、(2)相加，可得：

(3)

式中：用Isi代替了Ipi+Ini，Usi代替了Upi+Uni。

各相上、下桥臂子模块输出电压之和满足关系：

(4)

在模型的建立过程中，忽略桥臂电抗器上的压降，Udc≈NUsm，则由式(4)推导上、下桥臂占空比满足：

(5)

式中di表示MMC各相的等效输出调制比。

对式(3)进行变量替换得到MMC三相静止坐标系开关周期平均数学模型：

(6)

应用Park变换，得到MMC在dq旋转坐标系中开关周期平均模型：

(7)

1.3 FCL工作原理

基于MMC的限流式UPFC正常运行时，限流器模块中的所有晶闸管T1～T8的常触发导通。装置启动时，系统首先通过三相桥式整流电路对直流限流电感Ld充电使其电流Id达到系统交流电流的峰值，随即进入稳态工作。同一相桥臂的上下2个晶闸管交替工作180°电角度，任一时刻T1～T6中有3个处于导通状态，由于电感的电流源作用，在忽略电阻的情况下，直流电感电流Id在交流电流峰值水平上保持恒定，Id与交流电流的差值由续流管T7和T8续流。由于续流管的导通，三相桥式整流电路的直流侧被短接(Ud=0)，亦即限流器模块交流侧节点O处的3个端子等效为短接，限流器模块呈现零阻抗，整个限流式UPFC装置等效为常规UPFC对系统的电压、相角和阻抗进行综合补偿。对UPFC模块的控制方法也与常规UPFC相同，对限流器模块的控制仅仅是给所有晶闸管常加触发脉冲即可，可见限流器模块的加入并未增加装置控制的复杂度。

当装置安装点附近，即图1中的A处发生短路故障时，短路点电压U2突变为0，全部系统电源电压突然施加到串联变压器上，并通过三相桥式电路整流后加到限流器模块直流侧，导致限流器直流侧电压Ud突然增大，迫使续流管T7和T8因承受反向电压而关断，直流限流电感Ld立即自动串入串联变压器副边回路，进而耦合到原边线路以限制短路电流及其上升率。与此同时，当装置控制系统检测确认故障后立即采取相应动作，20ms内串联变压器副边的短路电流将自动切断，整个装置等效为开路，有效地保护了UPFC模块不受短路电流的冲击而损坏，而且有效解决了UPFC在系统推广应用所面临的短路电流问题，并降低了系统的短路电流水平，为系统安全稳定运行提供了可靠的保证[18]。

2 基于MMC的UPFC-FCL的调制策略

由于MMC由大量的子模块级联而成，因此其调制策略的选择非常灵活。MMC-UPFC的工作性能受MMC底层调制技术的影响较大且密切相关，目前对于MMC的主要调制策略主要有脉宽调制(pulse-widthmodulation，PWM)多电平阶梯波调制。使用PWM调制方法时，不能够随意控制某个子模块中IGBT的开通关断，因此较为困难，同时因为MMC的子模块数都较多，要实时采样各子模块直流侧电容电压的大小，同时根据采样值进行排序，这些过程对于运算能力低的系统显得非常困难。因此PWM调制会使子模块数较多的系统实现变的非常复杂，因此在模块数较多的MMC中应用PWM调制不是最好的选择。阶梯波调制策略包括选择谐波消去法调制(selectedharmonicelimination，SHE)和最近电平调制[12](nearestlevelmodulation，NLM)。SHE调制需要计算每个子模块的开关角，对计算量和计算速度要求高。NLM核心思想是以最少误差的阶梯波来逼近调制波，实现方法简单，开关频率低，开关损耗小，硬件电路实现简单，算法简单，非常适用于子模块个数很多的MMC。

传统的最近电平逼近调制在计算需要投入的子模块个数时，往往用桥臂电压参考值除以子模块的电容电压，而该电容电压在传统的调制中是定值，但实际子模块电容电压有波动，因此在下文所述的仿真过程中，调制策略将即时的子模块电容电压反馈到调制策略中，以此得到更完美的时域波形。

3 基于MMC的UPFC-FCL的控制策略

由三相桥式固态限流器的原理分析可知，正常状况下，限流器模块的控制仅仅是给晶闸管T1至T8常加触发脉冲使其等效为零阻抗状态，因此UPFC模块的控制与常规UPFC将完全一样。

对于UPFC并联侧的控制采用常规的电压-电流双环PI控制，但在调制方式的选择上由常规的PWM调制方式变换为更适用于多子模块数的NLM调制方式，电压-电流双环PI控制方式如图4所示。

图4 UPFC并联变换器控制框图Fig.4 Control block diagram of UPFC shunt converter

图4中：Ishd,Ishq分别代表并联侧交流电流的d,q分量。

而对于UPFC串联侧的控制则采用功率外环和电流内环的PI控制方式，功率外环控制中，在恒幅值Park变换条件下，线路A点的有功功率P和无功功率Q可以表示为

(8)

由此可得串联变换器双环控制策略如图5所示。

图5 UPFC串联变换器控制框图Fig.5 Control block diagram of UPFC series converter

图5中Ised，Iseq分别代表串联侧交流电流的d，q分量。

当装置安装点附近发生短路故障时，在短路故障下采用逆变续流混合瞬断模式[18]，该方法简单、可靠，具有很强的实用价值。

4 基于MMC的UPFC-FCL的仿真验证

基于MMC的UPFC与传统的基于VSC的UPFC装置相比，这类拓扑通过子模块的串联即可提升电压等级和装置容量，一方面避免了大量开关器件的直接串联和采用多重化变压器所带来的诸多问题，另一方面在高电压大容量的应用场合，换流器输出电压的电平数可达几十甚至上百，输出波形的总谐波畸变率(total harmonic distortion，THD)较低，因此，MMC可大大减少滤波器容量甚至不再需要装设滤波装置。而大容量的UPFC则可以更为方便的应用在如今快速发展的高压大容量的输电系统中。

为了验证系统总容量的突出变化和对谐波的有效抑制，采用PSCAD/EMTDC软件对基于MMC的UPFC-FCL进行建模和仿真，系统结构如图1所示，仿真参数设置见表1[21]。

表1 仿真系统主要电路参数

Table 1 Main circuit parameters of simulation system

4.1 正常运行状态仿真验证

4.1.1 稳态仿真验证

在系统非故障运行的情况下，仿真验证基于MMC的UPFC-FCL的运行情况。

图6所示为对UPFC串联侧出口处A相相电压波形的对比图，其中图6(a)为MMC-UPFC-FCL的波形图，图6(b)为VSC-UPFC-FCL的波形图，可以看出在系统正常运行的情况下，基于MMC的UPFC波形效果较传统的UPFC电压稳定性大大提高，串联侧输出电压波形完美拟合正弦波，电压波形的波动小、毛刺少、波形质量有效提升。

图6 UPFC串联侧出口处A相相电压波形的对比Fig.6 Comparison of voltage waveform of UPFC series in phase A

图7所示为利用FFT对二者串联侧出口A相相电压的波形进行谐波分析的对比图，分别观察基于MMC以及VSC的限流式统一潮流控制的1～31次波形相对值，可以看出MMC系统除基波以外的各次谐波分量占比非常小，几乎可以忽略不计，而传统的UPFC则有较大的谐波奇次分量。

图7 UPFC串联侧出口A相相电压波形谐波分析Fig.7 Comparison of voltage waveform harmonic of UPFC series in phase A

4.1.2 动态仿真验证

由MMC和VSC的结构对比可知，MMC具有容量大的显著特点，因此通过对MMC系统进行动态仿真，以验证整个系统在容量发生较大变化的情况下能否稳定运行，设置有功功率由20 kW增长到40 kW，无功功率不发生变化。

图8所示为当MMC-UPFC-FCL系统正常运行时系统功率突变之后的P、Q动态跟踪效果，从仿真图中可以看出系统运行稳定，在大容量的情况下系统保持了MMC-UPFC的良好响应性能，线路运行稳定正常。

图9所示为从MMC中A相上下桥臂电流角度观察系统在动态过程中的电流跟踪情况，可以看出桥臂电流跟踪响应速度快，且波形没有毛刺，进一步证实了该系统的可靠性，系统运行正常。

通过对系统稳态和动态的仿真验证，可以得出MMC-UPFC-FCL的系统具有良好的稳定运行特性。

4.2 故障运行状态仿真验证

故障运行状态下的仿真则验证了系统发生短路故障时，限流器模块对短路电流的有效抑制，在PSCAD/EMTDC系统模型中设置在2 s时，图1的A处发生三相短路故障，短路点对地电阻为0.01 Ω。

图8 MMC-UPFC-FCL系统P, Q动态响应波形Fig.8 P, Q dynamic response waveform of MMC-UPFC-FCL system

图9 MMC-UPFC-FCL系统A相上下桥臂电流响应Fig.9 Upper and lower bridge arm current response in phase A of MMC-UPFC-FCL system

图10对限流器的工作原理进行了验证，正常稳定工作时，直流电感电流约为三相线电流的峰值，该值稳定在1.5 kA附近，当系统故障后，系统约在2 ms左右响应故障，此后限流器自动转变为高阻抗插入系统回路，将Id的峰值抑制在6.3kA左右，此后整流桥工作在逆变状态将电感能量返回给电网，Id逐渐减小，直至故障后12ms左右触发续流管T7和T8导通，使Id转移至其中续流衰减。

图10 短路故障时限流器模块Ld的电流响应Fig.10 Current respond of Ld current limiter module in short circuit fault

图11为故障后系统三相电压的变化情况，在限流器模块工作之后，系统三相电压迅速由故障点降至0，避免了过电压对系统模块造成的破坏。

图11 短路故障时系统三相电压响应Fig.11 Three-phase voltage respond of system in short circuit fault

通过对系统在短路故障情况下的仿真可以看出MMC-UPFC-FCL系统具有良好的限流作用。

综合以上仿真结果，有效地证明了该系统不仅拥有大容量、高电压、低谐波的特性，同时兼具FCL的限流作用，从而反应了该系统能够较为合理地应用于快速发展的高压输电场合进行潮流调节和短路限流。

5 结 论

本文提出的基于MMC的限流式UPFC具有如下优势和特点：

(1)在配电网正常运行时，限流器模块呈现零阻抗，装置等效为常规的MMC-UPFC，限流器模块对系统无干扰；

(2)相比常规的UPFC-FCL而言，MMC的加入使得系统的容量显著提高，能够大大提高系统的电压等级，适合推广到发展较为迅速的高压输电场合；

(3)相较传统对VSC的PWM调制等，本系统对MMC采用NLM的调制策略，使得UPFC系统的输出电流波形谐波更小，波形更为完美；

(4)本文所提出的系统不仅增加了系统的容量以及安全性、可靠性，更能够给电力系统带来较大的综合经济效益。

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(编辑：张媛媛)

Unified Power Flow Controller Design with Fault Current Limiting Based on Modular Multilevel Converters

ZHOU Yang, JIANG Daozhuo, CHEN Feng, TANG Weijia, HU Pengfei, YIN Rui

(Zhejiang University, College of Electrical Engineering, Hangzhou 310027, China)

Traditional unified power flow controller (UPFC) based on voltage source controller (VSC) has high switch frequency, obvious voltage harmonic and lower voltage level. Meanwhile, UPFC has big risk and possibility to suffer the short circuit fault, which can cause the damage to device, especially in the situation of large capacity and high voltage. Thus, this paper applied modular multilevel converter (MMC) in the UPFC, and improved the control strategy of MMC to meet the requirements of the proposed topology, but the system might suffer larger risk of short circuit fault. So this paper also designed the current limiting module based on MMC-UPFC, which could effectively restrain the short-circuit current in the short circuit fault, without increasing any burden to the system in the normal condition. In all, the topology of entire UPFC system has advantages of higher modularity level, smaller harmonic wave, capacity extension, rapid current-limiting in short circuit fault and so on, which can increase system’s reliability, safety and economy for the designed topology.

FACTS; unified power flow controller (UPFC); fault current limiting; modular multilevel converter(MMC)

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2012AA050402); 浙江省重点科技创新团队项目(2010R50004)。

TM 76

A

1000-7229(2015)05-0007-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.002

2015-03-24

2015-04-01

周洋(1991)，男，硕士研究生，主要研究方向为柔性直流输电与海上风电场并网；

江道灼(1960)，男，教授，主要研究方向为交直流电力系统运行与控制技术、电力电子在电力系统应用技术、电力系统现场智能测控技术；

陈峰(1990)，男，硕士研究生，主要研究方向为限流器及柔性交流输电技术；

唐伟佳(1991)，女，硕士研究生，主要研究方向为海上风电场并网技术；

胡鹏飞(1987)，男，博士研究生，主要研究方向为柔性交流输电和柔性直流输电；

尹瑞(1990)，男，博士研究生，主要研究方向为柔性交流输电和分布式发电。

Project Supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2012AA050402); Major Project on Science and Technology Innovation Team, Zhejiang Province (2010R50004).