中小學(xué)輔導(dǎo)班人員信息網(wǎng)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)的基本特點(diǎn)分析目錄TOC\o"1-3"\h\u13501柔性直流輸電系統(tǒng)的基本特點(diǎn)分析 1175051.1三種常用電壓源換流器的結(jié)構(gòu) 1265441.2三種常用電壓源換流器的特點(diǎn) 6151031.3模塊化多電平研究現(xiàn)狀及研究背景 9116631.4子模塊電容電壓平衡控制 10255571.5MMC數(shù)學(xué)模型及控制策略 12237611.6MMC-HVDC的電容預(yù)充電技術(shù) 151.1三種常用電壓源換流器的結(jié)構(gòu)當(dāng)前柔性直流輸電工程常用的電壓源換流器主要有3種，分別為：二極管鉗位型三電平換流器、兩電平換流器和模塊化多電平換流器(MMC)。兩電平結(jié)構(gòu)換流器是最早應(yīng)用于柔性直流輸電工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。世界上第一個(gè)采用兩電平結(jié)構(gòu)換流器的柔性直流輸電工程于1999年6月在瑞典哥特蘭島投入商業(yè)運(yùn)行，該工程輸電容量?jī)H為50MW，直流側(cè)電壓±80kV兩電平結(jié)構(gòu)換流器為了使換流閥承受高電壓，單個(gè)閥采用大量可關(guān)斷器件直接串聯(lián)，必然帶來(lái)器件靜態(tài)，動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}以及器件將承受很高的階躍電壓，對(duì)開關(guān)器件的一致性和可靠性要求較高。兩電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示，其由6個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂都具有IGBT和與之反并聯(lián)的二極管。在高壓大功率情況下，為提高換流器容量和系統(tǒng)的電壓等級(jí),每個(gè)橋臂由多個(gè)IGBT及其相并聯(lián)的二極管相互串聯(lián)來(lái)獲得，串聯(lián)的個(gè)數(shù)具體視換流器的電壓等級(jí)、額定功率和電力電子開關(guān)器件的耐壓強(qiáng)度與通流能力而決定。 圖2-1（a）兩電平換流器的基本結(jié)構(gòu)兩電平拓?fù)?圖2-1（b）單個(gè)橋臂結(jié)構(gòu)以接地點(diǎn)為參考，兩電平換流器每相可輸出兩個(gè)電平，即+和—，如圖2-2所示。很明顯看出，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制兩電平換流器接近正弦波。為了得到較好的動(dòng)態(tài)性能和輸出電流諧波特性，需要采用較高的開關(guān)頻率，達(dá)到1950Hz，由此產(chǎn)生很大的器件開美損耗。采用優(yōu)化的脈寬調(diào)制技術(shù)，能夠?qū)㈤_關(guān)頻率降到1150Hz左右.圖2-2MMC的最近電平逼近調(diào)制策略由于兩電平結(jié)構(gòu)換流器存在一定的缺陷，三電平結(jié)構(gòu)換流器也成功應(yīng)用于柔性直流輸電工程中，三電平電壓源換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為二極管箝位型結(jié)構(gòu)，相比于兩電平結(jié)構(gòu)，具有較好的輸出特性，但需要較多的箝位二極管，不利于模塊化設(shè)計(jì)的問(wèn)題。二極管鉗位型三電平換流器如圖2-3所示。三相換流器通常共用直流電容器。三電平換流器每相可以輸出3個(gè)電平，即+、0、—。圖2-3二極管鉗位型三電平換流器基本結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，三電平換流器也是通過(guò)PWM來(lái)逼近正弦波電平換流器電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制算法難度略有增加，但相對(duì)于兩電平結(jié)構(gòu)器件開關(guān)頻率有所降低。圖2-4三電平換流器單相輸出高壓直流輸電的電壓源換流器采用兩電平或二極管鉗位的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，存在開關(guān)頻率高損耗大，輸出波形質(zhì)量差等諸多問(wèn)題。MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最早在2001年由慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)的RainerMarquardt提出，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下交流和直流的換流與逆變均由換流橋臂.上IGBT控制子模塊(Sub-Module，SM)電容的充電和放電實(shí)現(xiàn)，具備輸出波形質(zhì)量高，開關(guān)損耗少，容易通過(guò)增減SM的數(shù)量以滿足不同電壓等級(jí)和傳輸功率需求等優(yōu)點(diǎn)[10]。三相MMC共有6個(gè)換流橋臂，每一相的上橋臂和下橋臂共同構(gòu)成一個(gè)相單元（PhaseUnit），在不考慮SM冗余時(shí)，相單元上橋臂的SM數(shù)量和下橋臂的SM數(shù)量相等，各為相單元總SM數(shù)的一半。每一個(gè)橋臂中都直接串聯(lián)了一個(gè)交流電抗器Lo，稱為橋臂電器抗，可以起到抑制系統(tǒng)故障沖擊電流和MMC內(nèi)部相間環(huán)流的作用，提高系統(tǒng)可靠性。目前根據(jù)子模塊有無(wú)故障自清除能力，子模塊的類型一般可分為:半橋子模塊（Half

Bridge

Sub-Module-，HBSM）、全橋子模塊（Full

Bridge

Sub-Module-，fbsm）和箝位雙子模塊（Clamp

Double

Sub-Module，

CDSM）[11]

，如圖2-5所示。圖2-5模塊化多電平換流器MMC的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)投入運(yùn)行或還在設(shè)計(jì)建設(shè)中的MMC-HVDC項(xiàng)目換流站都是采用半橋子模塊構(gòu)成的MMC，因?yàn)槠溟_關(guān)器件少，損耗低，控制相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，H-MMC和傳統(tǒng)兩電平或三電平結(jié)構(gòu)換流器一樣，無(wú)法有效處理直流側(cè)故障，因其全控型器件反并聯(lián)的二極管使直流側(cè)故障點(diǎn)和交流系統(tǒng)相連構(gòu)成故障電流回路。目前高壓大功率直流斷路器還未能有效應(yīng)用，所以只能通過(guò)交流斷路器切斷故障電流。機(jī)械開關(guān)動(dòng)作較慢，至少需要2-3個(gè)周波，因此只能通過(guò)增大設(shè)備的額定容量配置高速旁路開關(guān)等輔助措施來(lái)防止過(guò)電流損壞器件。所以該拓?fù)洳贿m用于容易發(fā)生閃絡(luò)等暫時(shí)性故障的架空線輸電系統(tǒng)，只能采用成本較高，故障率低的電纜線路。F-MMC和C-MMC能夠利用換流器控制系統(tǒng)，有效切斷交流系統(tǒng)向直流故障點(diǎn)的饋能通路，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障自清除，F(xiàn)-MMC所需器件將近H-MMC的兩倍，經(jīng)濟(jì)效益差。而C-MMC相比于H-MMC所需器件增加并不多，損耗增加不大，控制策略幾乎完全相同，幾乎保留了MMC的所有優(yōu)點(diǎn)因此，MMC能夠用于故障率較高的架空線輸電場(chǎng)合，具有良好的應(yīng)用前景MMC的子模塊大多都采用半個(gè)H橋結(jié)構(gòu)，如圖2-6所示。其中，是子模塊電容電壓，和分別為單個(gè)子模塊的輸出電壓和電流。圖2-6MMC單個(gè)子模塊的結(jié)構(gòu)MMC的單相輸出電壓如圖2-7所示，由圖可知，MMC的工作原理與以上兩種換流器都不同，它并未采用脈沖寬度調(diào)制來(lái)逼近正弦波，而是采用階梯波的方式來(lái)逼近正弦波。圖2-7MMC的單相輸出電壓波形1.2三種常用電壓源換流器的特點(diǎn)（1）兩電平換流器的閥由于所具有的容量相同，因此便于模塊化設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)。兩電平換流器的電壓使用范圍也很廣，只要通過(guò)增加或減少閥上串聯(lián)的開關(guān)器件個(gè)數(shù)，并且不需要改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制環(huán)節(jié)和調(diào)制方式，就可以改變其額定電壓。但是，如果是應(yīng)用于高壓直流輸電，兩電平換流器閥需要承受很高的電壓，所以每一個(gè)閥都需要串聯(lián)大量開關(guān)器件，這樣會(huì)帶來(lái)串聯(lián)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。兩電平換流器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的階躍電壓（du/dt)，這對(duì)交流設(shè)備損害非常大，如聯(lián)接變壓器，因此所有元件都要把能夠承受非常大的階躍電壓考慮進(jìn)去。如果處理不當(dāng)?shù)脑?，?huì)產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題。為了獲得較好的諧波特性和動(dòng)態(tài)性能，兩電平換流器閥需高頻投切，頻率多數(shù)要在1kH以上。較大的開關(guān)電壓和開關(guān)頻率導(dǎo)致兩電平換流器的開關(guān)損耗相對(duì)較高。（2）兩電平拓?fù)渲饕獌?yōu)點(diǎn)有：①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②占地面積小；③電容器數(shù)量少；④所有閥容量相同，易于模塊化構(gòu)造。主要缺點(diǎn)有：①高投切頻率產(chǎn)生很大的損耗；②交流側(cè)波形差；③交流側(cè)波形差閥承受電壓高。二極管鉗位型三電平換流器與兩電平換流器在開關(guān)頻率和閥的構(gòu)成方面類似，但三電平換流器輸出電壓的諧波水平將會(huì)低于兩電平換流器，當(dāng)其都處于相同的開關(guān)頻率。在相同的直流系統(tǒng)電壓下，三電平換流器產(chǎn)生的階躍電壓(do/dt）僅為兩電平換流器的一半，三電平換流器的開關(guān)損耗也低于兩電平換流器。二極管鉗位型三電平拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點(diǎn)有：①開關(guān)損耗相對(duì)較低；②電容器取值??；③閥承受電壓相對(duì)較低；④占地面積??；⑤交流電壓波形質(zhì)量較高；⑥換流器產(chǎn)生的階躍電壓(du/dt）較小。二極管鉗位型三電平拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)有：①需要大量的鉗位二極管；②存在電容電壓不平衡問(wèn)題；③閥組承受的電壓不相同，不利于模塊化實(shí)現(xiàn)。用MMC構(gòu)成的柔性直流輸電系統(tǒng)為例介紹柔性直流輸電系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，兩端MMC-HVDC單級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，換流站內(nèi)包括聯(lián)接換流器與變壓器等設(shè)備。 圖2-8兩端MMC-HVDC單級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖柔性直流輸電系統(tǒng)兩端的模塊化多電流電平器均能控制兩個(gè)物理量，當(dāng)前MMC最主要的控制方式為矢量控制，即直接電流控制，控制方式如圖2-9所示。該控制系統(tǒng)由外環(huán)功率控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器組成，其中外環(huán)功率控制器決定柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制方式，其主要控制交、直流側(cè)電壓、交流側(cè)有功功率和無(wú)功功率、交流系統(tǒng)頻率等。其中，有功功率類物理量為直流側(cè)電壓、交流側(cè)有功功率和交流系統(tǒng)頻率；無(wú)功功率類物理量即交流側(cè)電壓和交流側(cè)無(wú)功功率。柔性直流輸電系統(tǒng)的每一端必須要包含有功、無(wú)功功率類物理量各一個(gè)，且兩端中必有一端對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制[12]。由此可見，柔性直流輸電系統(tǒng)中控制變量的組合有許多種。圖2-9柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)當(dāng)兩端的交流系統(tǒng)為有源系統(tǒng)時(shí)，合理的控制變量組合為逆變端控制交流側(cè)無(wú)功功率和直流電壓，整流端控制交流側(cè)有功、無(wú)功功率，該組合隨兩端交流系統(tǒng)情況變化而變化，但是由于兩端的無(wú)功功率控制是相互獨(dú)立的，所以可以用無(wú)功功率控制或交流電壓控制來(lái)滿足所需的無(wú)功功率。在同一端實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的獨(dú)立控制時(shí)，由于受換流器容量所限，二者必須限定在PQ平面的一個(gè)特定范圍內(nèi)。由上述討論得知，基于MMC的柔性直流輸電技術(shù)和基于兩電平或三電平VSC的柔性直流輸電技術(shù)，它們相同的優(yōu)點(diǎn)是都采用了電壓源換流器，因此與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比較，運(yùn)行性能得到了巨大的提高，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償和換相失敗問(wèn)題；（2）可以同時(shí)調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率；（3）可以為無(wú)源系統(tǒng)供電；（4）適合構(gòu)成多端直流系統(tǒng)；（5）諧波水平低.。但是，柔性直流輸電與傳統(tǒng)直流輸電相比也有不足的方面，表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：（1）設(shè)備成本較高；（2）損耗較大；（3）不能控制直流側(cè)故障時(shí)的故障電流。1.3模塊化多電平研究現(xiàn)狀及研究背景（1）研究現(xiàn)狀：MMC拓?fù)涮岢鲆院竽K化多電平直流輸電最早投入運(yùn)行的是西門子的

Trans

Bay

Cable

Project，而西門子出于保持公司技術(shù)優(yōu)勢(shì)的緣故，對(duì)MMC的部分核心技術(shù)沒(méi)有公開。由于MMC在直流輸電領(lǐng)域擁有的巨大優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，很多科研工作者將其應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)，SVC，B2B系統(tǒng)，機(jī)車牽引以及分布式發(fā)電等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MMC的研究大多數(shù)都集中在換流器拓?fù)洹?shù)學(xué)模型建立、調(diào)制策略改進(jìn)、子模塊電容電壓均衡、相間環(huán)流抑制、系統(tǒng)控制以及不平衡狀態(tài)下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。數(shù)學(xué)模型建立。精確的數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)控制與保護(hù)具有極其重要的指導(dǎo)作用，因此MMC數(shù)學(xué)建模是研究得比較早也比較成熟的一個(gè)部分。SolasE建立了電磁暫態(tài)下MMC的數(shù)學(xué)模型，對(duì)MMC的調(diào)制策略和系統(tǒng)控制進(jìn)行了探討。HagiwaraM建立了基于開關(guān)函數(shù)的MMC數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型的建立，為系統(tǒng)的控制提供了依據(jù)，是研究系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要解決的首要問(wèn)題。

調(diào)制策略。MMC-HVDC系統(tǒng)可以借鑒電平換流器系統(tǒng)的調(diào)制策略，楊曉峰等人研究了載波移相在MMC中的應(yīng)用，在電平數(shù)較少時(shí)也能實(shí)現(xiàn)較好的控制效果，但是在電平數(shù)目較多時(shí)候，由于開關(guān)頻率高，導(dǎo)致開關(guān)器件損耗大，效果不如階梯波調(diào)制算法。LesnicarA研究了空間矢量調(diào)制算法在MMC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，但由于MMC輸出電平數(shù)目較多，開關(guān)表和順序?qū)⒎浅?fù)雜，因此并不適用于MMC系統(tǒng)。管敏淵提出了最近電平調(diào)制（Nearest

Level

Modulation，M）算法并嘗試將其應(yīng)用于MMC中，它是階梯波調(diào)制的一種，對(duì)于電平數(shù)目較多的MMC系統(tǒng)，非常適用，它能有效降低開關(guān)器件的頻率，并且算法簡(jiǎn)便易實(shí)現(xiàn)，是一種實(shí)用的調(diào)制算法。子模塊電容電壓均衡。MMC使用觸發(fā)脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行各橋臂子模塊中功率器件的導(dǎo)通順序的安排，子模塊輸出電壓疊加后在交流側(cè)產(chǎn)生各相所需的輸出電壓，因此，子模塊中電容電壓的均衡程度，直接關(guān)系到輸出相電壓的大小。HagiwaraM提出檢測(cè)各子模塊電容電壓值，通過(guò)對(duì)電容電壓大小進(jìn)行排序來(lái)選擇充放電的子模塊，使電容電壓保持均衡。徐政重點(diǎn)針對(duì)傳統(tǒng)電壓排序出現(xiàn)的頻繁投切子模塊的缺陷，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的優(yōu)化策略，給電容電壓設(shè)定了一定界限值，有效的減小了功率器件的開關(guān)頻率。相間環(huán)流抑制。相間環(huán)流是由于各相橋上投入運(yùn)行的子模塊電容電壓之和不相等，導(dǎo)致有電流在三相橋臂間流動(dòng)形成相間環(huán)流橋臂電流畸變，橋臂上電流峰值上升。鄭翔分析了相間環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理并計(jì)算其大小，在數(shù)學(xué)上對(duì)橋臂電抗參數(shù)的選擇以及設(shè)計(jì)抑制環(huán)流的方法具有的指導(dǎo)意義。系統(tǒng)控制以及不平衡狀態(tài)下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要借鑒VSC變流系統(tǒng)的相應(yīng)控制系統(tǒng)控制以及不平衡狀態(tài)下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要借鑒了VSC變流系統(tǒng)的相應(yīng)控制方法。徐政研究了MMC的等效數(shù)學(xué)模型將應(yīng)用在電壓源型換流器中的直接電流控制策略應(yīng)用在MMC-HVDC直流輸電系統(tǒng)文獻(xiàn)4研究了MMC-HVDC在三相不平衡狀態(tài)下的特性與控制策略。（2）應(yīng)用前景：自1997年ABB公司首次將VSC變流技術(shù)應(yīng)用于直流輸電工程以來(lái)，陸續(xù)投入建設(shè)和使用的柔性直流輸電工程有將近二十個(gè)。2002年，MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出，2010年西門子公司率先承建了世界上首個(gè)基于MMC的柔性直流輸電工程，該工程每個(gè)橋臂由200個(gè)子模塊串聯(lián)組成，每個(gè)子模塊電容額定電壓1kV，輸送功率400MW，輸電電壓±200kV目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建設(shè)并投產(chǎn)的基于MMC的柔性直流輸電工程。示范工程8每個(gè)橋臂由49個(gè)子模塊組成，輸送功率18MW，輸電電壓30KV，自2011年7月投入運(yùn)行以來(lái)，該工程完成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，獲取了相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。從已投入運(yùn)行的工程來(lái)看，由于以下幾個(gè)方面的因素，未來(lái)MMC-HVDC系統(tǒng)將具有廠的應(yīng)用前有廣闊的應(yīng)用前景（1）風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)。由于自然條件的原因，風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電站距離城市與工業(yè)用電負(fù)荷中心都比較遠(yuǎn)，并且存在發(fā)電時(shí)間和功率不穩(wěn)定的固有缺陷，若使用交流輸電方式傳輸電能將使得輸電成本變得相對(duì)昂貴，而且其技術(shù)難度大，而MMC-HVDC系統(tǒng)則可以結(jié)合性直流輸電的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與新能源的資源優(yōu)勢(shì)，緩解能源壓力并且保護(hù)環(huán)境。（2）向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的供電。遠(yuǎn)離大陸的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)如果采取就地供電的方式不僅會(huì)使得發(fā)電成本偏高、污染環(huán)境而且供電穩(wěn)定性和可靠性不高，采用MMC-HVDC既可以提高其供電質(zhì)量和可靠性又可以避免交流輸電電能損耗高的問(wèn)題，還能利用MMC的無(wú)源逆變特性將其多余的電能送回到陸電網(wǎng)系統(tǒng)。（3）大中型城市直流輸電網(wǎng)，城市人口的增長(zhǎng)以及建設(shè)速度的加快，使得用電需求快速增加，電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，傳統(tǒng)的空中輸電走廊資源和輸電容量有限，而城市電網(wǎng)擴(kuò)容改造又迫在眉睫，因此在輸電網(wǎng)容的同時(shí)將輸電線路轉(zhuǎn)入地下，節(jié)省空間

MMC-HVDC可以加快輸電工程建設(shè)進(jìn)，提輸電容量節(jié)省經(jīng)費(fèi)。（4）異步電網(wǎng)互聯(lián)。MMC-HVDC可以聯(lián)系異步交流輸電系統(tǒng)，大幅提高系統(tǒng)的靈活度、穩(wěn)定性以及可靠系數(shù)。（5）優(yōu)化電能品質(zhì)。

MMC-HVDC輸出電平高，所含諧波較少，在沒(méi)有濾波器的情況下也可以提高電能品質(zhì)。（6）智能電網(wǎng)不僅是每個(gè)國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)目的，還是日后電網(wǎng)主要發(fā)展方向?；贛MC的柔性直流輸電技術(shù)在沒(méi)有變壓器的情況下，即可到達(dá)智能電網(wǎng)所需的特高壓電壓標(biāo)準(zhǔn)，而且未來(lái)基于MMC-HDC的多端直流輸電建成后，在系統(tǒng)控制方面能很好的導(dǎo)入智能化控制。1.4子模塊電容電壓平衡控制一、基于排序的子模塊電容電壓平衡控制 MMC-HVDC與兩電平VSC-HVDC不同點(diǎn)在于直流側(cè)未并聯(lián)電容，而是把電容分散于各個(gè)橋臂上，各個(gè)子模塊電容電壓的平衡，是維持直流電壓穩(wěn)定的重要條件。本文采用了一種適用于最近電平逼近調(diào)制的基于電壓排序的子模塊電容電壓平衡控制策略。局題操作如下：（1）把橋臂作為基本單位，測(cè)量各個(gè)橋臂中子模塊電容電壓值，并將他們?cè)诳刂破髦邪磸拇蟮叫』驈男〉酱蟮捻樞蚺帕?。?）測(cè)量各個(gè)橋臂的電流方向，確定對(duì)于子模塊電容是充電還是放電作用。（3）下次電平跳變時(shí)刻，若橋臂電流對(duì)電容充電，則投入該橋臂中電容電壓偏低的子模塊;若橋臂電流為放電方向，則投入該橋臂中電容電壓偏高的子模塊。電平逼近調(diào)制算法只是給出了每一時(shí)刻系統(tǒng)中投入和切除子模塊的個(gè)數(shù)，對(duì)于是那些子模塊投入和切除并沒(méi)有指出，而電容電壓平衡控制解決了具體哪些子模塊投入和切除的問(wèn)題。適用于最近電平逼近調(diào)制的子模塊電容均壓控制框圖如圖2-10所示。圖2-10子模塊電容電壓平衡控制框圖二、仿真驗(yàn)證 在MATLAB中搭建模型對(duì)最近電平逼近調(diào)制算法及電容電壓平衡控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。這里搭建MMC逆變器，上下橋臂各有20個(gè)模塊，直流側(cè)電壓設(shè)為20kV，子模塊電容額定電壓設(shè)為1kV，系統(tǒng)交流頻率為50Hz，橋臂電感為4mH，電容容值為3000uF。調(diào)制度設(shè)為0.8，即直接給定交流相電壓峰值為8kV。MMC交流側(cè)空載時(shí)仿真結(jié)果如圖2-11。 t/s（a）a相輸出相電壓與給定電壓（b）a相上橋臂前10個(gè)子模塊電容電壓圖2-11最近電平逼近調(diào)制下系統(tǒng)波形從仿真波形可以看出，交流輸出電壓為21電平,且可以很好地跟蹤調(diào)波：子模塊電容電壓的波動(dòng)在額定值士10%以內(nèi)。仿真結(jié)果證明了最近電平逼近調(diào)制及基于排序的電容均壓算法的有效性。1.5MMC數(shù)學(xué)模型及控制策略由前文可知，橋臂電壓按照正弦規(guī)律變化，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源。將圖2-5虛擬等電位點(diǎn)短接后可以看出上、下橋臂電抗器相當(dāng)于并聯(lián)。將電路簡(jiǎn)化，可得到MMC等值電路如圖2-12所示。圖2-12MMC等值電路可以看出，MMC等值電路與兩電平VSC類似。因此，從理論來(lái)看，傳統(tǒng)兩電平VSC的控制策略都適用于MMC。這里采用兩電平拓?fù)涑Ｓ玫闹苯与娏骺刂?，即?nèi)環(huán)電流和外環(huán)功率控制。MMC-HVDC系統(tǒng)具有有功類和無(wú)功類兩個(gè)可同時(shí)獨(dú)立控制的物理量。系統(tǒng)的控制方式可分為有功類控制器和無(wú)功類控制器。其中表示系統(tǒng)有功的物理量包括有功功率、直流側(cè)電壓、直流電流、系統(tǒng)頻率。無(wú)功類物理量有無(wú)功功率、交流側(cè)電壓。MMC-HVDC兩端換流站控制器從有功類和無(wú)功類兩者中挑選一個(gè)進(jìn)行控制，但應(yīng)注意，為了保持系統(tǒng)傳輸功率的穩(wěn)定，兩端換流站必須有一端采用定直流電壓控制。這樣,MMC-HVDC系統(tǒng)就存在多種控制方式。為驗(yàn)證控制策略的有效性，在MATLAB中搭建雙端有源MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型。本文對(duì)系統(tǒng)做了理想處理，即直流線路為理想線路，電阻為零，兩端換流站輸出均沒(méi)有聯(lián)結(jié)變壓器，如圖2-13，系統(tǒng)參數(shù)見表2-1。仿真中，整流站采用定直流電壓、定無(wú)功功率控制；逆變站采用定有功、無(wú)功控制。仿真結(jié)果如圖2-14所示。圖2-13MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型表2-1MMC-HVDC系統(tǒng)仿真參數(shù)換流器參數(shù)數(shù)值額定功率P/MW1直流側(cè)額定電壓Udc/KV10交流側(cè)額定電壓Uac/KV3.4系統(tǒng)頻率f/Hz50連接電抗器Ls/Mh10橋臂電感L/Mh4子模塊個(gè)數(shù)10子模塊電容C/Mf1子模塊電容電壓USM/KV1調(diào)制方式NLM有功指令Pref/MW1無(wú)功指令Qref0t/s（a）系統(tǒng)有功、無(wú)功t/s（b）直流電壓t/s（c）逆變側(cè)交流電流t/s（d）整流側(cè)交流電流t/s（e）整流側(cè)a相上橋臂電容電壓t/s（f）逆變側(cè)a相上橋臂電壓圖2-14兩端有源MMC-HVDC系統(tǒng)運(yùn)行波形從仿真結(jié)果來(lái)看，直流側(cè)電壓可以穩(wěn)定在額定值，系統(tǒng)傳輸功率正常，整流與逆變側(cè)交流電流為正弦波，兩端換流站子模塊電容電壓可以保持平衡，表明了上述控制策略的正確性。1.6MMC-HVDC的電容預(yù)充電技術(shù) 值得注意的是，MMC—HVDC每個(gè)橋臂由幾十甚至多達(dá)上百個(gè)子模塊，對(duì)于這些大量位置分散的電容快速的進(jìn)行預(yù)充電是系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。有利用自身交流系統(tǒng)并配合各子模塊開關(guān)動(dòng)作和外加輔助電源，之一對(duì)電容充電的方法。但普遍來(lái)說(shuō)，子模塊控制電源從各自儲(chǔ)能電容上取能，充電前系統(tǒng)不可控，所以不適用與工程。 本文在適用于單端MMC的兩階段充電方案的基礎(chǔ)上，提出了適用于向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC電容預(yù)充電方案。這里將預(yù)充電過(guò)程分為了不空充電與可控充電兩個(gè)階段。不控階段以MMC的交流系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)子模塊中的反并聯(lián)二極管，對(duì)電容進(jìn)行充電。等電壓上升至控制器電源工作所需要的電壓之后，再在控制器作用下進(jìn)一步對(duì)電容進(jìn)行充電。一、不控充電階段此階段，子模塊中所有IGBT均關(guān)斷，僅通過(guò)反并聯(lián)二極管，實(shí)現(xiàn)向電容不控充電。以ab相為例，充電過(guò)程分析如下:當(dāng)QUOTEuabuab>0(QUOTEuabuab為ab線電壓)，a相上橋臂所有子模塊的D2導(dǎo)通，D1阻斷；b相上橋臂所有子模塊的D1開通，D2阻斷，系統(tǒng)同時(shí)對(duì)b相上橋臂所有子模塊電容充電。同時(shí)，a相下橋臂所有子模塊的D1開通，D2阻斷；b相下橋臂所有子模塊的D2導(dǎo)通，D1阻斷，系統(tǒng)同時(shí)對(duì)a相下橋臂所有子模塊電容充電，其它相各橋臂電容充電情況類似。根據(jù)上述分析，將不控充電回路可等效為圖2-15虛線框中部分。圖中的電容為各橋臂等效電容，容值均為C/m，C為單個(gè)子模塊電容容值，m為各橋臂的子模塊總個(gè)數(shù)，其中n個(gè)為運(yùn)行子模塊數(shù)，其余為含冗余模塊。圖2-15 MMC不控啟動(dòng)階段等效電路對(duì)于MMC應(yīng)用在電網(wǎng)互聯(lián)等雙端均連接有緣交流電網(wǎng)場(chǎng)合，均可通過(guò)交流系統(tǒng)來(lái)不控充電。但對(duì)于向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，逆變側(cè)沒(méi)有交流電網(wǎng)，因此需要有源側(cè)的交流系統(tǒng)同時(shí)向雙端MMC充電。有源側(cè)交流系統(tǒng)在直流側(cè)整流出的直流電壓會(huì)使無(wú)源側(cè)三相所有模塊的D1導(dǎo)通，同時(shí)對(duì)三相所有電容充電，等效電路圖2-13。為限制不控充電過(guò)程中的沖擊電流，可在回路中串入限流電阻，充電結(jié)束后切除。MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了限流電阻只能安裝在系統(tǒng)的交流側(cè)，如圖2-15。其中R為限流電阻，S為切除R用的旁路開關(guān)。二、可控充電階段電容電壓.上升的速率隨時(shí)間下降，為提升充電速度，可待子模塊電容電壓大于控制電源工作所需的最低電壓之后，切除限流電阻，解鎖換流站，將MMC切換至正常工作時(shí)的控制器作用，對(duì)電容進(jìn)一步充電。對(duì)整流站來(lái)說(shuō)，解鎖瞬間，由于每相有n個(gè)模塊投入運(yùn)行，n個(gè)模塊構(gòu)成的實(shí)際直流電壓小于直流指令電壓(當(dāng)系統(tǒng)存在冗余模塊時(shí)，這一差值會(huì)更大)。若此時(shí)直接采用定直流電壓控制，會(huì)使控制器產(chǎn)生震蕩。為保證控制器的調(diào)節(jié)性能，可采用直流電壓斜坡控制，如圖2-16，即直流電壓指令按照一定斜率上升額定值，切換時(shí)的指令電壓初始值設(shè)為切換瞬間的實(shí)際電壓值。圖2-16 直流電壓斜坡控制對(duì)于雙端有源MMC-HVDC，兩端MMC均可采用這種解鎖方式，