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迄今为止,全球投入商业运行的电压源换流器高压直流输电工程30个左右,均取得了良好的运行业绩。应用于直流输电工程的电压源换流器拓扑结构主要有两电平、三电平及模块化多电平。其中,模块化多电平VSC是2002年由德国慕尼黑联邦国防军大学提出的。2004年17电平2MW的样机在该大学的电力电子实验室研制成功。模块化多电平电压源型换流器通过子模块串联构成换流阀,易于扩展,谐波畸变小,开关损耗低,适用于高电压大功率场合,具有广阔的应用前景。因此MMC一经问世便受到各国学者的广泛关注,MMC在电力牵引、电机拖动及直流输电领域的应用已被广泛研究。2010年,由西门子公司承建的第1项应用MMC的柔性直流输电工程将在美国加利福尼亚州的匹兹堡和旧金山之间实现海底直流电缆联网,旨在解决输电走廊紧张对电网扩建的限制,消除输电瓶颈,并增强系统安全稳定性和可靠性。
MMC的储能元件是电容器,掌握MMC的运行机理,研究MMC子模块电容值的选取方法可以为子模块电容器的合理选型提供理论基础,电容器的合理选型又是MMC-HVDC系统正常运行的基础。正常运行时子模块电压在额定值附近上下波动。投入的子模块因桥臂电流方向的不同而分别处于充电和放电的状态,投入时刻以及持续时间的不同造成子模块电压的波动并不完全一致。通过控制手段使桥臂上所有子模块电容电压的波动趋向一致是MMC元件选型的前提之一,否则就要增大设备的绝缘裕度或者电容值来弥补控制效果的不足,既不经济也不可靠。随着串联模块数的增多,电压平衡控制的数据采集量和计算量激增,选择何种电压平衡控制方法既保证电容电压均一的效果,又能占用较少的硬件资源是MMC-HVDC技术的重点研究对象之一。
本文从子模块电压稳态波动、暂态波动、直流系统动态响应特性及直流双极短路时的设备安全裕度4个方面全面分析子模块电容取值的原则和计算方法。用本文总结的设计方法计算15电平MMC-HVDC系统子模块电容值,并在PSCAD电磁暂态仿真模型上对系统的稳态、暂态、动态特性及直流双极故障时桥臂电流上升速度进行验证。
目的
模块化多电平换流器直流输电系统的储能元件电容器是MMC换流器的核心元件之一,研究MMC子模块电容值的选取方法可以为子模块电容器的合理选型提供理论基础。
方法
从模块化多电平柔性直流输电系统稳态能量交换过程、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保护要求4个方面分析了子模块电容值与直流系统运行特性之间的数学关系。根据理论分析结果,给出了模块化多电平子模块电容的选取原则和计算方法,并利用PSCAD电磁暂态仿真进行了验证。
结果
MMC-HVDC系统子模块电容值的选取需要考虑4项原则。PSCAD仿真结果表明,本文的设计方法满足MMC-HVDC系统运行性能的要求,具体如下:1)MMC-HVDC应充分考虑直流系统稳态能量交换、暂态能量交换、动态响应特性及故障后设备的安全裕度。2)稳态子模块电压的波动大小取决于1个周期内交换能量的多少。当换流器运行在STATCOM状态下时,子模块电容波动最大。3)当直流系统的有功功率定值发生变化时,采用定有功功率控制的换流站直流电压要及时跟随其变化,因而子模块电容值不能选得太大,具体的响应时间要根据实际工程的要求确定。4)交流系统发生不对称故障时,换流器中出现负序分量导致子模块电容电压波动增大,如果要求MMC直流系统继续运行,必须选择合适的子模块电容值,使子模块电压波动不能超过允许值。5)发生直流双极短路故障时,子模块电容迅速放电。为了使保护动作前子模块元件不受损坏,子模块电容和桥臂电感值应合理配合,使桥臂电流上升到上限的时间大于保护动作时间。
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