劉 雋,賀之淵,何維國,包海龍,季蘭蘭

(1.上海市電力公司技術與發(fā)展中心,上海 200025;2.中國電力科學研究院,北京 100192)

傳統(tǒng)的基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)工程采用的低電平電壓轉換器(VSC)具有開關頻率高、輸出電壓諧波大、電壓等級低、需要無源濾波器和變壓器等缺點,并存在串聯(lián)器件的動態(tài)均壓等難題,多電平變流器通過電壓疊加輸出高電壓,并且輸出電壓諧波含量少,無需濾波器和變壓器,為了克服上述問題,提供了一種新的方案。2001年德國學者提出模塊化多電平變 流器 (Modular M ulti-level Converter, MMC)概念,這種模塊化結構具有較強的可擴展性,容易實現(xiàn)冗余控制,并且可提供一個公共直流側,更易實現(xiàn)背靠背連接方式,十分適用于VSC -HVDC輸電系統(tǒng)中[1-5]。

1 MMC柔性直流輸電技術的工作原理

圖1為模塊化多電平VSC子模塊及主電路拓撲結構示意。圖1中P點表示VSC正直流母線,N點表示VSC負直流母線,o點表示VSC假想的直流側中性點。

圖1 模塊化多電平拓撲結構示意

VSC直流電壓為U dc,故P點相對于o點的電壓u Po為+U dc/2;N點相對于o點的電壓u No為-U dc/2。u a i,u b i,u c i(i=u,l)分別表示VSC每相上、下半橋臂的電壓,則可得:

式中:uao,ubo與uco分別表示VSC各相交流輸出端相對于直流側假想中性點“o”的電壓。

只要對VSC各相半橋臂電壓u a i,u b i和u c i (i=u,l)依照式(1)限定的那樣去施加,則在VSC的輸出端便能得到所期望的直流電壓U d c與交流電壓u ao,u bo和u co。由式(1)可得出:

由式(2)可知,VSC的三個橋臂具有相同的電壓Udc,又由于VSC具有嚴格的對稱性,3個橋臂具有相同的阻抗,因此直流電流I dc將在3個橋臂間均分,每個橋臂的直流電流為I dc/3,如圖1中的粗虛線所示。同理,各相輸出端電流ia,ib和i c將在各相上、下半橋臂間均分,如圖1中的細虛線所示。因此,可得VSC各相半橋臂暫態(tài)電流i a i,i b i和i c i(i=u,l),如式(3)所示:

變流器的各相由多個子模塊按照一定順序級聯(lián)組成,并按照一定的控制邏輯被觸發(fā),可使變流器交流側輸出期望的波形。圖1中,MMC的各相由4 s個子模塊組成,每相上下橋臂分別由級聯(lián)在一起的2 s個子模塊和一個電抗器構成。單個子模塊的輸出電壓可以是0和U d,從而使變流器各個橋臂的輸出電壓可在0和2 sU d之間。

通過電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EM TDC對上述原理進行了仿真驗證。VSC的電路拓撲如圖1所示為三相等值電路。輸出端期望得到的直流電壓U dc為20 kV,交流電壓u ao的幅值為8 kV。VSC直流側負載電阻為200Ω,交流側連接阻抗負載,電阻值為100Ω,電感值為0.184 H。仿真得到電壓、電流波形分別如圖2至圖4所示。

2 系統(tǒng)的控制方式[6-8]

為了提高MMC柔性直流輸電系統(tǒng)的運行可靠性,需要限制各個控制環(huán)節(jié)故障對整個系統(tǒng)造成的影響。通過將控制器分成幾個層次可以實現(xiàn)這一目標,同時也可以提高維護的方便性和靈活性。MMC柔性直流輸電系統(tǒng)與其他VSCHVDC的控制系統(tǒng)相同,大致可分成3個層次,從高層到低層分別為系統(tǒng)級控制、變流器控制和閥控制,各層的主要功能不同。

圖2 A相上、下半橋臂電壓u au與u al

圖3 直流電壓u d,正母線電壓+u dc/2,負母線電壓-u dc/2以及電壓u al,u ao

圖4 直流電流 I dc、A相交流電流i a,流過A相上、下半橋臂電流i au與i al

2.1 系統(tǒng)級控制

系統(tǒng)級控制為MMC柔性直流輸電系統(tǒng)的最高控制層次,主要功能可包含下面一項或者多項:①與電力調度中心通信聯(lián)系,接受調度中心的控制指令,并向通信中心傳送有關的運行信息;②根據(jù)調度中心的指令,改變運行模式及整定值等;③當一個換流站有多個變流器并聯(lián)運行時,應能根據(jù)調度中心給定的運行模式、輸電功率指令等分配各變流器輸電回路的輸電功率,當某一回變流器或者直流線路故障時,應重新分配其他回路的功率以降低對系統(tǒng)的影響;④快速功率變化控制,快速功率變化包括功率的提升和功率的回降,主要用于對直流所連兩端交流系統(tǒng)或并列輸電交流線路的緊急功率支援;⑤潮流反轉的實現(xiàn)。

2.2 變流器級控制

變流器控制是MMC柔性直流輸電系統(tǒng)的核心控制,通常采用雙環(huán)控制,分別為外環(huán)功率控制和內環(huán)電流控制。其中外環(huán)控制器接受系統(tǒng)級控制器發(fā)出的指令參考值,根據(jù)控制目標產(chǎn)生合適的參考信號,并傳遞給內環(huán)電流控制器;內環(huán)電流控制器接受外環(huán)功率控制器的指令信號,經(jīng)過一系列的運算得到變流器側輸出交流電壓期望的參考值,并送到閥控層。

變流器級控制的實現(xiàn)方式為矢量控制(Vector Control)。矢量控制結構比較簡單,其響應速度很快,很容易實現(xiàn)過電流等控制,適用于VSC -HVDC場合。

變流器控制主要的功能包括下面的一項或者多項:①有功功率控制(Active Pow er Control);②直流電壓控制(DC Vo ltage Control);③無功功率控制(Reactive Pow er Control);④交流電壓控制(AC Vo ltage Control);⑤頻率控制(Frequency Control)。

針對一些特殊的應用場合,如系統(tǒng)一端為無源網(wǎng)絡、風電場接入系統(tǒng)、孤島供電等,還可以采用無源交流電壓控制(AC Voltage Control for Passive Netw ork)。為了抑制交流系統(tǒng)故障時產(chǎn)生的過電流和過電壓,防止因系統(tǒng)故障而損壞設備,控制系統(tǒng)中還應包括負序電流控制,直流過電壓控制和欠電壓控制等環(huán)節(jié)。

2.3 閥控

閥控主要包括同步鎖相技術、電流平衡控制和直流側電容器電壓平衡控制等,它接收變流器控制器的信號,完成最終的觸發(fā)任務。

2.4 新型模塊化多電平VSC控制系統(tǒng)結構

新型模塊化多電平VSC控制結構包含3個不同的單元,即監(jiān)測單元、中央控制單元和換流閥單元,如圖5所示。

圖5 變流器控制結構簡圖

監(jiān)測單元負責整個系統(tǒng)的反饋與監(jiān)控,根據(jù)設定點值,反饋控制實時向中央控制單元提供數(shù)據(jù)?？衫脭?shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)這一功能。中央控制單元的調制器實現(xiàn)子模塊電容電壓平衡控制。輸出狀態(tài)控制器用以決定優(yōu)化的輸出狀態(tài),以及下一調制周期內的運行順序。

新型模塊化多電平VSC根據(jù)不同的應用場合可以選擇不同的調制策略,當運用高開關頻率調制(如SVPWM)時,可使用PWM發(fā)生器功能計算開關狀態(tài)的作用時間;當運用低開關頻率調制(如特定次諧波消除)時,可使用開關角計算功能計算調制周期內可關斷器件IGBT的觸發(fā)角度,并直接對應于其觸發(fā)時刻。

換流閥單元由結構相同的子模塊串聯(lián)而成,這些子模塊僅通過雙工光纖電纜與中央控制單元相連,將變流器中的低壓單元與高壓單元隔離,降低了相互影響,各子模塊接受中央控制單元以光電形式周期性地發(fā)來的觸發(fā)命令,同時將自身的電容電壓反饋中央控制單元。數(shù)據(jù)傳遞以及IGBT門極驅動電路所需的能量由相應子模塊的存儲電容提供。各個半橋臂的電流測量系統(tǒng)通過光纖與中央控制單元相連。

故障檢測指示會因故障類型的不同而不同,當發(fā)生過電流故障時,故障管理將自動起用故障安全運行模式,故障檢測發(fā)出與系統(tǒng)斷開指示;當發(fā)生一些易矯正的數(shù)據(jù)傳輸故障時,故障檢測將不會產(chǎn)生斷開指示,并通過故障診斷系統(tǒng)對誤差源進行定位與保存,可在定期維修中將故障清除,以提高變流器的可用率及可維護性。

3 柔性直流輸電工程介紹

作為新一代直流輸電技術,柔性直流輸電突出了全控型電力電子器件、電壓源變流器和脈沖調制三大技術特點,解決了常規(guī)直流輸電技術的諸多固有瓶頸。它可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制,而無需無功補償;可以無需電網(wǎng)短路電流的支撐換相,從而用于對無源交流系統(tǒng)供電;可以兩站獨立控制和運行,無需站間通信;可以在潮流反轉時保持電壓極性不變,可采用干式交聯(lián)聚乙烯的直流電纜,減少了環(huán)境污染;可以實現(xiàn)近似正弦的交流輸出,濾波容量小、占地面積小、便于模塊化。根據(jù)其技術特點,柔性直流輸電技術適用于風電場并網(wǎng)、孤島供電、交流系統(tǒng)的異步互聯(lián)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、多端直流輸電以及城市配電網(wǎng)增容等領域。下面分別就上述應用領域簡要介紹柔性直流輸電工程的應用情況。

3.1 風電場并網(wǎng)工程

風電場的特點是風力發(fā)電機容量較小(最大約5MW),機組臺數(shù)較多,并組必須將不同發(fā)電機的電能送到統(tǒng)一的電網(wǎng),機組互相間的有功功率分布將使系統(tǒng)局部波動大,同時還需配合足夠的無功,因此采用柔性直流傳送有相當?shù)膬?yōu)勢。

哥特蘭島是瑞典最大的島嶼,具有非常豐富的風力資源,島上風力發(fā)電的快速發(fā)展,發(fā)電量從1994年的15 MW發(fā)展到1997年的48 MW。但是該島本身的用電量較小,多余的電力需要送出;另外,在風電場運行過程中需要吸收一定的無功功率,由于多機組的分散性,使電網(wǎng)的電壓質量較差。

為了滿足風電的發(fā)展需要和保證電壓質量,在南斯敦的南斯變電站和瑞典北部港口城市維斯比附近的貝克斯換流站之間采用一條柔性直流輸電系統(tǒng),將哥特蘭島上的風電資源送往大陸,工程于1999年秋季投入運行,是世界上第一條商用的柔性直流輸電系統(tǒng)。該工程不僅將哥特蘭島的電能輸送到瑞典本土,而且提供了風電場所需要的動態(tài)無功功率支撐,解決了潮流波動、電壓閃變和頻率的不穩(wěn)定問題,提高了相連交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并有效改善了電能質量,充分體現(xiàn)了柔性直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)良性能。應用于風電場并網(wǎng)的柔性直流工程還有泰伯格工程和瑙德工程。

柔性直流輸電系統(tǒng)所提供的獨立的有功和無功功率控制可以提高海上風電場運行的可靠性,并抑制電壓波動。而擠壓式電纜技術的使用可大大降低工程在海底和地下電纜鋪設的難度,極大地縮短施工時間,同時還降低了造成環(huán)境污染的可能性。

3.2 電網(wǎng)互聯(lián)工程

迪萊克特聯(lián)結工程連接了澳大利亞新南威爾士和昆士蘭兩個地區(qū)的電網(wǎng)。由于全部采用了地下電纜來進行傳輸,使得迪萊克特聯(lián)結工程在環(huán)境、外觀方面的不利影響都降到了最小。同時,由于柔性直流輸電系統(tǒng)的良好可控性,使兩個電網(wǎng)之間的功率流動可以得到精確、快速的控制。而且,由于每個換流站在傳輸有功功率的同時還可以提供獨立的無功功率,因此還可以對所連接的電網(wǎng)提供動態(tài)無功支撐能力。

使用柔性直流輸電更不局限于兩端系統(tǒng)必須有足夠的短路容量,在中等容量的互聯(lián)系統(tǒng)中采用柔性直流互聯(lián)具有獨特的優(yōu)點,尤其是故障情況和系統(tǒng)恢復階段,在交流系統(tǒng)受到分隔的情況下,柔性直流的特點更加突出。應用于電網(wǎng)互聯(lián)的柔性直流工程還有伊格-帕斯背靠背互聯(lián)工程、克勞斯-桑德互聯(lián)工程、莫里聯(lián)絡工程、伊斯特互聯(lián)工程和卡普里維互聯(lián)工程。

3.3 孤島和弱電網(wǎng)供電工程

2005年投運的挪威泰瑞爾柔性直流輸電工程用于從挪威的克爾斯奈斯換流站向泰瑞爾海上天然氣鉆井平臺上的用電設備供電,由于該平臺上所使用的氣體壓縮機轉速時時刻變化的,所以由柔性直流輸電系統(tǒng)的變流器直接向上面的變速同步電機進行供電,使得同步電機的頻率和運行電壓在一定的范圍內變化。用于孤島供電的柔性直流輸電工程還有瓦爾哈工程。孤島供電的柔性直流工程投運后,不僅每年可以減少二氧化碳排放量,還能顯著降低海上平臺的運營成本和維護費用以及在海山使用燃氣輪機的危險性,是可靠性高的供電方式。

3.4 城市供電工程

應用于城市供電的柔性直流工程目前僅有在建的傳斯貝爾聯(lián)絡工程,該工程將電能從灣區(qū)東側堡換流站送到舊金山的波特雷羅換流站,工程為東灣和舊金山之間提供一個電力傳輸和分配的手段,以滿足舊金山的城市供電需求,增強城市供電的安全性。由于柔性直流輸電系統(tǒng)可以提高電網(wǎng)的可靠性、提供電壓支撐能力和降低系統(tǒng)損耗,因此將會改善連接這兩個地區(qū)的電網(wǎng)安全性和可靠性。

4 上海南匯柔性直流輸電示范工程

4.1 工程概況

上海南匯風電場位于南匯區(qū)濱海鄉(xiāng)大治河口北側沿海圍墾的灘涂上,是上海電網(wǎng)已建的規(guī)模最大的風電場,裝機總容量達到16.5 MW。南匯風電場通過2回35 kV線路經(jīng)35 kV大治站接入到220 kV南匯站。南匯柔性直流輸電示范工程選址于南匯風電場與大治站之間,將并列運行的兩條交流線路中的一條改造為柔性直流線路,采用電纜和架空線混合傳輸。南匯柔性直流輸電示范工程的兩個換流站之間通過長度約為8 km的直流電纜連接;其中,書柔換流站通過3.6 km交流線路連接到大治變電站35 kV交流母線,風電場換流站經(jīng)150 m電纜線路連接風電場變電站35 kV交流母線。示范工程接入系統(tǒng)方案如圖6所示。

圖6 示范工程接入系統(tǒng)方案

上海南匯柔性直流輸電示范工程兩端換流站均采用模塊化多電平(49電平)拓撲結構,額定直流電壓為±30 kV。具體參數(shù)如表1所示。

表1 示范工程變流器參數(shù)

4.2 系統(tǒng)運行方式

上海南匯柔性直流輸電示范工程的系統(tǒng)運行方式主要包括以下三種:

(1)運行方式一 南匯風電場經(jīng)治風線3993接入大治開關站35 kV一段母線,治風線3992備用,即風電場單獨通過柔性直流與系統(tǒng)聯(lián)接。

(2)運行方式二 治風線3992和3993并列運行,即柔性直流輸電線路和交流線路并列運行將風電場接入系統(tǒng),功率定值0～0.5 p.u。

(3)運行方式三 南匯風電場經(jīng)治風線3992接入大治開關站35 kV二段母線,治風線3993備用,但各端換流站參與交流系統(tǒng)電壓/無功調節(jié),即柔性直流輸電線路以STATCOM方式運行。

以上三種不同運行方式可為MMC-VSC今后應用于風電場并網(wǎng)、交直流電網(wǎng)并列運行、電網(wǎng)無功控制以及孤島供電等方面提供技術支撐和相關運行經(jīng)驗。

4.3 系統(tǒng)控制策略

示范工程的不同運行方式對應不同的控制策略,具體各運行方式的控制策略如下:

(1)運行方式一 在該方式下,為滿足風電場運行要求改善系統(tǒng)側交流電網(wǎng)的運行條件,從無功調節(jié)和電壓控制的角度出發(fā),柔性直流輸電系統(tǒng)的風電場站采用定交流電壓控制,書柔站采用定無功功率控制或定交流電壓控制。這是因為風電場出力不可控制,為了實現(xiàn)有功平衡,要求風電場站采用定交流頻率控制,書柔站采用定直流電壓控制。該運行方式下柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制模式為風電場站采用定頻率控制、定交流電壓控制;書柔站采用定直流電壓控制、定無功功率控制或定交流電壓控制。

(2)運行方式二 在該方式下,為滿足風電場運行要求,改善系統(tǒng)側交流電網(wǎng)的運行條件,從無功調節(jié)和電壓控制的角度出發(fā),柔性直流輸電系統(tǒng)的風電場站應采用定交流電壓控制,書柔站可采用定無功功率控制或定交流電壓控制。從有功平衡的角度,風電場換流站和書柔站也可采用定有功功率控制或定直流電壓控制。考慮到直流輸電的特點,即兩側不能同時采用定直流電壓控制或定有功功率控制。

該運行方式下柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制模式為風電場站采用定有功功率控制(定直流電流控制)或定直流電壓控制、定無功功率控制或定交流電壓控制;書柔站采用定直流電壓控制(定直流電流控制)或定有功功率控制、定無功功率控制或定交流電壓控制;風電場站和書柔站不能同時采用定直流電壓控制(定直流電流控制)或定有功功率控制。

(3)運行方式三 該方式下,柔性直流輸電系統(tǒng)以STATCOM方式運行,不傳輸有功功率,僅參與交流系統(tǒng)電壓和無功調節(jié),因此為滿足風電場運行要求和改善交流電網(wǎng)運行條件,柔性直流輸電系統(tǒng)風電場站采用定交流電壓控制,書柔站采用定無功功率控制或定交流電壓控制。該運行方式下柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制模式為風電場站采用定直流電壓控制、定交流電壓控制;書柔站采用定直流電壓控制、定無功功率控制或定交流電壓控制。

4.4 控制系統(tǒng)設計

上海南匯柔性直流輸電示范工程中采用直接電流控制方法,其原理如圖7所示。外環(huán)功率/電壓控制器基于輸入量與參考量的偏差進行PI調節(jié),得到與有功功率相關的d軸電流分量和與無功功率相關的q軸電流分量,然后再將這些分量輸入到內環(huán)電流解耦控制器內,最后通過坐標變換后輸出VSC參考波,實現(xiàn)對VSC換流閥的控制。

圖7 MMC-VSC柔性直流示范工程控制策略原理

根據(jù)這一控制原理,可以采用圖8所示的MMC-VSC控制系統(tǒng)結構。其中,外環(huán)功率控制可以實現(xiàn)定直流電壓控制、有功功率控制、定頻率控制、無功功率控制和定交流電壓控制等控制目標;內環(huán)電流控制器可實現(xiàn)變流器交流側電流波形和相位的直接控制,以快速跟蹤參考電流; VBC閥控模塊實現(xiàn)橋臂子模塊電容電壓平衡控制以及產(chǎn)生各子模塊觸發(fā)脈沖功能。

圖8 MMC-VSC柔性直流示范工程控制系統(tǒng)結構

5 結論

本文對MMC-VSC直流輸電技術的基本原理、控制方式進行了介紹,對世界范圍內柔性直流輸電工程的應用情況進行了總結,概括了這種技術的應用領域。給出了上海南匯柔性直流輸電示范工程的工程概況、運行方式及控制系統(tǒng)的設計。上海南匯柔性直流輸電示范工程是國內首個柔性直流輸電工程,也是國內第一條基于模塊化多電平變流器的柔性直流輸電科技示范工程,該工程將為今后的風電場并網(wǎng)、孤島供電、柔性直流交直流并列運行、電網(wǎng)無功控制等提供有力的技術支撐和相關的運行經(jīng)驗,同時為我國柔性直流輸電技術研究和工程建設的發(fā)展起到積極的推動作用。

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