1基于組合式換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)的主接線與運(yùn)行特性分析基于組合式換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)的主接線與運(yùn)行特性分析 1 11.2常規(guī)MMC容量提升手段與組合式換流器的組合方式 31.3柔性直流輸電系統(tǒng)的主接線方式 6 8 1.4基本單元串聯(lián)構(gòu)成一極時(shí)的運(yùn)行特性 MMC三相對(duì)稱，取A相作為特殊相，單相換流器中由大量子模塊串聯(lián)的橋臂、線路電單個(gè)橋臂電容電壓等效為獨(dú)立電壓源，忽略子模塊開(kāi)關(guān)過(guò)程，如圖3-1所示為經(jīng)過(guò)等效處理h2理想條件時(shí)，MMC上、下橋臂電壓根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得：上、下橋臂電流根據(jù)基爾霍夫電流定律可得：根據(jù)式(3-1)和(3-2)得到經(jīng)過(guò)上、下橋臂的瞬時(shí)功率：其中，電流調(diào)制比即m;電壓調(diào)制比即k;基波角頻率即w。對(duì)式3-3和3-4積分得到相單元內(nèi)交流分量能量：其中，P,即換流器視在功率。綜上uk可以表示為：uk=Uk_Dc+Uk_AC其中，Uk_Dc即電壓直流分量；U?即環(huán)流二倍頻電壓最大值。所以，可以把相單元電壓當(dāng)作串聯(lián)的兩個(gè)電壓源。Abc三相電流可以用式3-7表示：3根據(jù)式3-7可知，三相環(huán)流流動(dòng)順序?yàn)閺腶相到b相再到c相，總和等于0,因此只有環(huán)流的危害有降低器件使用壽命、令電容電壓劇烈波動(dòng)、降低了電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性圖3-2即MMC內(nèi)部環(huán)流數(shù)學(xué)模型。+d1.2常規(guī)MMC容量提升手段與組合式換流器的組合方式截止到現(xiàn)在已經(jīng)投放運(yùn)行的柔性直流輸電工程最大容量大約為1000MW,距離傳統(tǒng)直單個(gè)MMC單元的容量提升不僅僅受到聯(lián)接變壓器容量所限制，還受到與MMC性緊密相關(guān)的多個(gè)因素的制約。單個(gè)MMC單元容量提升的基本方法是增加子模塊的級(jí)聯(lián)①需要大量I/O數(shù)據(jù)的通信和交換，例如各子模塊電容電壓測(cè)量值傳遞到控制單元，控4③由于雜散參數(shù)的作用，級(jí)聯(lián)子模塊數(shù)目太多后會(huì)影響橋臂上子模塊之間的電壓均衡。因此，提升單個(gè)MMC容量來(lái)使柔性直流輸電系統(tǒng)容量得到提升是難以實(shí)現(xiàn)的。所以，在技術(shù)層面可實(shí)現(xiàn)的方法是把單個(gè)MMC單元作為基本換流器單元(BCU),然后將其進(jìn)行串并聯(lián)組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在電壓和容量都達(dá)到目的的組合式換流器[18。組合式換流器的單元擴(kuò)展方式有4種基本形式：(1)由n個(gè)BCU串聯(lián)構(gòu)成，如圖3-3a所示；(2)由n個(gè)BCU并聯(lián)構(gòu)成，如圖3-3b所示；(3)由n個(gè)BCU串聯(lián)組成支路，再由k條支路并聯(lián)構(gòu)成nxk個(gè)BCU的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖3-3c所示；(4)由nx×k個(gè)BCU構(gòu)成矩陣形式的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖3-3d所示。第1種方案可實(shí)現(xiàn)較高的電壓等級(jí)，直流線路電流較小，但基本單元投切時(shí)會(huì)影響整個(gè)串聯(lián)單元回路。第2種方案利用并聯(lián)方式可方便實(shí)現(xiàn)單元擴(kuò)展，某單元投切時(shí)對(duì)其他部分影響甚微，但不容易實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)且輸送功率較大時(shí)線路電流也較大。第3種方案采取先串后并方式，但串聯(lián)支路中某單元?jiǎng)幼鲿r(shí)仍會(huì)影響整個(gè)支路。第4種方案單元連接方式是網(wǎng)格形式，容易擴(kuò)展到大容量高電壓等級(jí)，且單元投退對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響很小。5換流變壓器◎0組合式換流器6oQ 一Q一◎組合式換流器換流變壓器1.3柔性直流輸電系統(tǒng)的主接線方式在討論柔性直流輸電系統(tǒng)的主接線方式前，先來(lái)回顧一下傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的主接線方式。對(duì)于兩端直流輸電系統(tǒng)，常用的主接線方式是3種1,分別是雙極接線(見(jiàn)圖3-4)、單極大地回路接線(見(jiàn)圖3-5)和單極金屬回路接線(見(jiàn)圖3-6)。7正極正極D本來(lái)DYY4I來(lái)接地極YD本來(lái)DYY本來(lái)負(fù)極YYY本本接地極來(lái)來(lái)DYY圖3-5傳統(tǒng)直流輸電的單級(jí)大地回路接線8本DDYYYY本DDYYYY三圖3-6傳統(tǒng)直流輸電的單級(jí)金屬回路接線和雙極接線都必須滿足正常運(yùn)行時(shí)接地極流過(guò)工作電流的要求，因此都需要專門(mén)設(shè)置接地目前已投運(yùn)的基于兩電平或三電平VSC的柔性直流輸電系統(tǒng)都是由ABB公司設(shè)計(jì)制Y專吉92010年后新建的柔性直流輸電工程幾乎不再使用兩電平或三電平VSC作為換流器，改用MMC作為換流器。由于MMC-HVDC直流側(cè)沒(méi)有集中布置的電容器，因此不能采用如圖3-7所示的接地方式。但為了降低直流線路的對(duì)地絕緣水平，需要將直流線路構(gòu)造成正、負(fù)極性對(duì)稱的線路。在直流側(cè)找不到滿足要求的接地點(diǎn)的情況下，TransBayCable工程將接地點(diǎn)移到了交流側(cè)，即在聯(lián)接變壓器閥側(cè)采用星形電抗構(gòu)造了一個(gè)人為的中性點(diǎn)，然后將此中性點(diǎn)經(jīng)接地電阻接地I201,如圖3-8所示。采用這種接地方式后，直流線路對(duì)地確實(shí)呈現(xiàn)出了對(duì)稱的正、負(fù)極性。如前文所述，目前已運(yùn)行的大多數(shù)柔性直流輸電系統(tǒng)所采用的主接線方式(見(jiàn)圖3-7~圖3-8)是由兩電平或三電平VSC或MMC基本單元構(gòu)成的雙極系統(tǒng)，對(duì)于這樣的雙極系統(tǒng)主接線，盡管接地點(diǎn)的選擇可以不同，但接地點(diǎn)在正常運(yùn)行時(shí)都不會(huì)流過(guò)工作電流[21]。其優(yōu)點(diǎn)是不需要設(shè)置專門(mén)的接地極，并且聯(lián)接變壓器閥側(cè)繞組不存在直流偏置電壓，聯(lián)接變壓器可以采用普通的交流變壓器，從而降低聯(lián)接變壓器的成本；但其缺點(diǎn)是可靠性較低，不能與傳統(tǒng)直流輸電的雙極系統(tǒng)類比。因?yàn)檫@種由VSC或MMC基本單元構(gòu)成的雙極系統(tǒng)主接線，只要換流器單元發(fā)生故障或一個(gè)單極的直流線路發(fā)生故障，整個(gè)雙極系統(tǒng)就會(huì)全部失去，不會(huì)像傳統(tǒng)直流輸電那樣還能保留一極運(yùn)行。為此，我們將這種由VSC或MMC基本單元構(gòu)成的雙極系統(tǒng)主接線稱之為“偽雙極系統(tǒng)接線”,以明確表示此種接線方式不具備傳統(tǒng)直流電雙極系統(tǒng)的性能22]。之所以目前運(yùn)行的柔性直流輸電系統(tǒng)大多采用這種偽雙極系統(tǒng)接線，原因可能有兩個(gè)：(1)截止目前已運(yùn)行的柔性直流輸電系統(tǒng)容量較小，采用一個(gè)VSC或MMC基本單元已足夠；(2)已運(yùn)行的柔性直流輸電系統(tǒng)大多采用電纜作為直流線路，電纜故障率低，對(duì)整然而，對(duì)于大容量的柔性直流輸電系統(tǒng)或者采用架空線路的柔性直流輸電系統(tǒng)，采用偽雙極系統(tǒng)接線顯然是不合適的。改進(jìn)的方向是采用與傳統(tǒng)直流輸電一樣的雙極接線以提高可由組合式換流器構(gòu)成的柔性直流輸電雙極系統(tǒng)的主接線如圖3-9所示，其中，圖a是雙極系統(tǒng)的基本接線，圖b~d在交流側(cè)接入系統(tǒng)方式方面有所變化。因?yàn)榻M合式換流器容量很大，分散接人交流系統(tǒng)有利于大容量功率的接受或消納，可降低交直流系統(tǒng)之間的相互影響換流站換流站直流線路式換中性引線電抗器交流系統(tǒng)接地引線平波一組合式換三換流變壓器電抗器換流站平波平波電抗器井聯(lián)單元換流變壓器Q柔性直流雙極系統(tǒng)主接線與傳統(tǒng)直流的雙極系統(tǒng)主接線基本一致，對(duì)于MMC-HVDC雙極系統(tǒng)，換流站交流場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償和濾波設(shè)備是可以省去的，直流側(cè)的濾波器也是可以省去的，但直流側(cè)的平波電抗器一般不能省去，特別是對(duì)于直流線路為架空線路的情況，平波電柔性直流雙極系統(tǒng)主接線與偽雙極主接線相比的主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：(1)適合于大容量高電壓柔性直流輸電；(2)直流線路絕緣水平大大降低，在同樣的額定直流電壓下，比偽雙極系統(tǒng)接線絕緣(3)直流側(cè)故障時(shí)只影響故障極，而對(duì)健全極幾乎沒(méi)有影響，從而提高了系統(tǒng)可靠性；(4)易于系統(tǒng)分期建設(shè)和增容擴(kuò)建，先投運(yùn)單極再投運(yùn)雙極，有利于早日發(fā)揮投資效益；(5)能夠適合不同電壓等級(jí)、不同容量的柔性直流輸電系統(tǒng)；(6)可在雙極平衡、雙極不平衡、單極大地回線、單極金屬回線等運(yùn)行方式下運(yùn)行，柔性直流雙極系統(tǒng)主接線與偽雙極主接線相比的主要缺點(diǎn)為：(1)額外加設(shè)了單獨(dú)的接地極；(2)聯(lián)接變壓器需要采用與傳統(tǒng)直流輸電換流變壓器類似的變壓器，不能采用普通交流變壓器，因?yàn)樾枰惺荛y側(cè)繞組的直流偏置電壓。最基本的組合式換流器結(jié)構(gòu)有兩種：(1)由兩個(gè)基本單元串聯(lián)構(gòu)成一極的柔性直流輸電系統(tǒng)；(2)由兩個(gè)基本單元并聯(lián)構(gòu)成一極的柔性直流輸電系統(tǒng)。本節(jié)先研究由兩個(gè)基本單元串聯(lián)構(gòu)成一極時(shí)的運(yùn)行特性。400MW測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建由兩個(gè)基本單元串聯(lián)構(gòu)成一極的柔性直流輸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。MMC11MMC11MMC“dc云工作在逆變狀態(tài)。設(shè)基本單元均采用第4章介紹的內(nèi)外環(huán)控制策略和第2章介紹的最近電平逼近調(diào)制策略。并設(shè)基本單元控制器的控制周期Ten=100μs,子模塊電容電壓平衡控制采用基于按狀態(tài)排序與增量投切的電容電壓平衡策略，不平衡度閾值取σm=8%。整流側(cè)為直流電壓和無(wú)功功率控制，兩個(gè)基本單元的直流電壓指令值都設(shè)為400kV,無(wú)功功率指令值都設(shè)為0。逆變側(cè)為有功功率和無(wú)功功率控制，兩個(gè)基本單元的有功功率指令值都為200MW、無(wú)功功率指令值都為100Mvar。設(shè)1.0s逆變側(cè)交流