模块化多电平换流器中环流的控制对直流电容电压的影响

2016-05-14 17:40尹正清兰军高建虎

尹正清 兰军 高建虎

摘 要:以往对模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的研究中,大部分都强调MMC中环流存在的弊端,但本文分析了环流产生的原因,考虑到环流在三相之间能量平衡的作用,提出对环流进行控制,使MMC变得更加稳定且减小MMC中直流电容电压的波动,这对降低MMC成本具有重要意义。

关键词:MMC;环流控制;直流电容电压

中图分类号: TM451+.2 文献标识码: A 文章编号: 1673-1069(2016)24-251-2

0 引言

MMC是由R.Marquardt于2001年首次提出,它具有以下优点:模块化的结构,能够运行于弱交流系统,不需要为其提供额外的无功补偿设备,谐波含量少等[1~3]。

在对MMC的研究中,环流的研究占了很大比重。由于环流流经六个桥臂,使桥臂电流不再是正弦的。环流的存在意味着子模块的额定电流要相应增加,但更重要的是能量在桥臂间的传输,如果不加控制,会因为能量的不平衡引起MMC的不稳定。以往对环流的研究目的都是要把环流消除,没有看到环流存在的意义,并提出一种环流的控制方法对环流进行利用。

1 MMC的数学模型

MMC由三个相单元组成,每个相单元由两个臂单元组成,每个臂单元由N个串联的功率子模块串联而成。每个子模块包括两个IGBT,一个旁路接触器,一个SCR和一个直流电容组成。(图1)

由MMC的结构可得到如图2所示的单相数学模型。其中为电网的相电压,为电网的相电流,和为上桥臂的电压和电流,和为下桥臂的电压和电流,为直流母线电压。

2 MMC环流产生的原因

假定交流系统的相电压和线电流分别为:

则每相由电网传输到MMC换流器的瞬时功率为

对该瞬时功率进行积分便得到MMC的每相从电网获得的能量

从公式(3)可以看出每相的能量有一个二倍频的波动分量,该二倍频的直流电容电压波动造成了三相之间环流的产生。

3 环流的控制

假定三相之间的环流为零,既内部不平衡电流只有直流分量 。此时输入上下桥臂的功率分别为:

对这两个功率进行积分的到上下桥臂的能量:

从公式(5)中可以看出wah和wal中有二倍频分量和基波分量,其幅值分别为 和 (为了方便这里按φ=π/2计算)。

现在引入的环流:

此时输入上下桥臂的瞬时功率分别为

对公式(7)两边做积分处理,得到此时上下桥臂的能量为:

从公式(8)中可以看出此时上下桥臂的能量中具有基波和三次谐波的波动,幅值分别为 和 。同时在MMC中,Udc≈2U。显然存在 , 。因此,在加入 这一环流后,上下桥臂能量的波动都会减小,那么在上面的电容电压的波动也会减小。

4 仿真验证

为了验证上述控制方法的有效性,本文在PSCAD/EMTDC平台下建立了一个10kV、10MVA的MMC模型。整个MMC运行期间发出5MVar的无功功率,在8S之前采用将环流控制为0,在8S之后为把环流控制为 。图3为a相上下桥臂电容器里的能量,图4为a相所有电容器的能量。从图中可以看出在加入环流后电容器中的能量波动明显减小,这说明电容电压的波动也会减小。

5 结论

当环流为零时,电容电压的波动并不是最小的,根据系统的状态,按照本文中的方法,加入特定的环流后能有效地减小电容电压的波动。这样在同样电容电压波动的条件下,就可以减小电容的容值。

参 考 文 献

[1] 杨晓峰,郑琼林.基于MMC环流模型的通用环流抑制策略[J].中国电机工程学报,2012(18):59-65.

[2] 杨晓峰,林智钦,郑琼林,游小杰.模块组合多电平变换器的研究综述[J].中国电机工程学报,2013(06):1-15.

[3] 周月宾,江道灼,郭捷,梁一桥,胡鹏飞.模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析[J].中国电机工程学报,2012(24):8-14.