基于换流角的桥臂换流模块化多电平换流器电容电压控制_冯亚东

收稿日期 : ２ ０ １ ６ Ｇ ０ １ Ｇ １ ４;修回日期 : ２ ０ １ ６ Ｇ ０ ３ Ｇ ０ ７. 国家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( ８ ６ ３ 计 划 )资 助 项 目 ( ) . ２ ０ １ ５ AA ０ ５ ０ １ ０ １ 上网日期 : ２ ０ １ ６ Ｇ ０ ４ Ｇ ２ ６.
３ Ｇ ４] . 换流器均存在无法阻断直流侧故障电流的缺陷 [
流系统和直流系统的约束 , 不能满足该理想条件 , 该 结论只能作为研 究 参 考 , 无 法 实 际 应 用. 为 了 解 决
] 电容电压平衡的问题 , 文献 [ 提出上下桥臂短暂 ５, ９ 重叠导通创造上下桥臂直通电流的方法来实现电容 ] 电压的平衡控制 , 文献 [ 均没有给出重叠时间长 ５, ９ 短㊁ 直通电流大小的控制依据 , 也没能给出该方法的 数学解释和边界条 件 . 文 献 [ 提出采用注入三次 ７] 谐 波 电 流 方 法 来 实 现 电 容 电 压 的 平 衡 控 制, 文 ] 献[ 进一步给出 了 注 入 三 次 谐 波 电 流 的 方 法 , 然 １ ３ 而注入三次谐波需 要 有 一 个 可 控 的 谐 波 源 , 谐波源 如何 实 现 ㊁ 存 在 哪 些 困 难, 文 献 并 没 有 探 讨. 文 ) 以无功电流的符号 再 经 比 例 积 分 ( 环节得到移 P I 相角 , 该方法无法适应运行工况快速切换的情况 .
０ d c π ０ d c m
的上半部分时 , 电流从上桥臂通过 , 下桥臂处于截止 状态 ; 反之 , 电流从 下 桥 臂 通 过 , 上桥臂处于截止状
态 . 通过控制桥臂 中 子 模 块 投 入 的 个 数 可 以 使 上 ㊁ 下桥臂输出的多电平波形逼近正弦波 .
,# 4C +
桥臂交流端和直流端流过的电流相同表示为
３㊀ 基于换流角的桥臂能量平衡
冯亚东 , 等 ㊀ 基于换流角的桥臂交替导通多电平换流器电容电压控制
Δ E＝
１ ω
为:
) 对式 ( 进行积分 , 推导可得新的能量平衡条件 ８
ʏ
α
α π ＋
Ud æ cö ç ÷Im ( s i n d Ucms i nφ － φ －ϕ) φ ＝０ ２ø è ( ) ８
α2/ e
0
４㊀ 换流角的优化选择
-60
Ud c ( ) Uc ＋| Ucms i nα | １ ４ o mm u t a t e＝ ２ 意味着桥臂需要的子模块数量越 Uc o mm u t a t e越大 , 多, 阀组的成本 也 相 应 增 加 . 因 此 , 通 过| Ucms i nα | 的分析可以优化选择换流角α, 优化阀组的成本 . / 取 Ud 范围内变 Ucm 在 β( １． ２ ７ Ud ２) c为额定值 , c ) , / 化( 取值为 功率因数角 在 ０． ５~１． ０ ２ 范围 β ϕ ʃπ 内变化 , 得到 如 图 ２ 所 示 的 换 流 角 α 的 变 化 分 布 . / 从图中可以看到 , 内变化 α 取α －π ２, ０) １ 时, ϕ 在( ; ( , / ) , 时, 变化较小 在 范 围 内 变 化 时 随 着ϕ α ０ π２ ϕ 的增加 , 正 好 相 反, α 变 化 很 大. α 取α ２ 时, ϕ在 ( / ) / 内变化时 , 范围 －π ２, ０ α 变化较大 ; ０, π ２) ϕ 在( . 内变化时 , 则变化较小 α 通过上述分析 可 知 , α １ 和α ２ 相对ϕ 的变化具 ( 有互补性 . 在 即无功功率小于 ０) 时α 取α ʎ １, ϕɤ０
１㊀A AMC 阀组介绍
如图 １ 所示 , 一 AAMC 的 桥 臂 由 两 部 分 组 成 :
: / / h t t ww w． a e s Ｇ i n f o ． c o m p p
７ １
( ) ２ ０ １ ６, ４ ０ １ ３
������ 研制与开发 ������
部分与 MMC 类似 , 由多个子模块串联组成 , 这些子 模块是集成电容器 的 全 桥 电 路 ; 另一部分由带有反 向并联二极管 的 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 ( 直接 I G B T)
２ ０ １ ０ 年英国帝国理工学院和 A l s t o m 公司提出 了桥 臂 交 替 导 通 多 电 平 换 流 器 ( a l t e r n a t e Ｇ a r m [ ] ５ Ｇ １ ０ , , 其桥臂采用多个 m u l t i l e v e l c o n v e r t e r AAMC) 中加入导通开关 , 每个桥臂只导通半个周期 , 有效降 低了子模块的数量 和 桥 臂 电 流 有 效 值 , 降低了采用 全桥子模块时带来的成本和损耗增加问题的影响 . 目 前 国 内 外 对 AAMC 的 研 究 还 处 于 初 级 阶 [ ５ Ｇ １ ４] , 段 研究缺乏系统性 . 文献 [ 提出了交流电 ５, ９] AAMC 阀组桥臂 的 能 量 平 衡 和 子 模 块 电 容 电 压 的 平衡 , 由于实际工程 中 交 流 电 压 和 直 流 电 压 受 到 交
０㊀ 引言
随着 直 流 电 网 控 制 保 护 理 论 ㊁ 模块化多电平换 [ １ Ｇ ２] , 流器 ( 技术 m o d u l a rm u l t i l e v e l c o n v e r t e r MMC) 的逐渐成熟 , 将柔性直流输电技术应用到高电压 ㊁ 大 容量 ㊁ 远距离的输电 线 路 和 多 端 直 流 输 电 系 统 的 需 求越来越迫切 . 然而目前投入实际应用的柔性直流
全桥子模块 , 输出波形质量高 ㊁ 开关频率低 ㊁ 损耗低 , 直流侧短路时能阻断交流灌入的电流 . 通过在桥臂
] 献[ 提出了改变相对于阀组输出电压的移相角来 １ ４ 实现电容电压平衡 的 方 法 , 通过将电容电压偏差乘
压与直 流 电 压 满 足 特 定 比 例 的 情 况 下 , 可以实现
本文建立了在特定角度进行上下桥臂换流实现 桥臂子模块电容电 压 控 制 的 能 量 平 衡 方 程 , 提出了 换流角的计算方法 . 通过换流角与电容电压耦合机 理研究 , 提出了局部线性化的电容电压一阶模型 , 以 此为基础提出了 换 流 角 前 馈 控 制 与 P I控 制 相 结 合 的电容电压控制策 略 , 提高了电容电压控制的稳定 性和适应性 .
Ud cö ÷Im ( ) s i n d ４ s i nφ － φ －ϕ) φ ＝０ ( ２ø ) 积分可得 : ㊀㊀ 式 ( ４
π
５, ９] : 即桥臂输入输出能量平衡 [ ０,
１ æπ ö ÷ ( ) Δ E ＝ ç Ucm － c o s ５ Ud c Im ϕ＝０ ω è２ ø 式中 : 电流的角速度 . ω 为交流电压 ㊁ ) 由式 ( 可知 , 满足下 列 条 件 之 一 即 可 使 Δ ５ E＝ ２ Ucm ＝ Ud c π ( ) ６
: / D O I １ ０． ７ ５ ０ ０ A E P S ２ ０ １ ６ ０ １ １ ４ ０ ０ ３
第４ ０卷㊀第１ ３ 期 ㊀２ ０ １ ６年７月１ ０日
V o l ． ４ ０N o ． １ ３J u l ０, ２ ０ １ ６ y１
基于换流角的桥臂交替导通多电平换流器电容电压控制
( ) 清华大学电机工程与应用电子技术系 ,北京市 １ 南京南瑞继保电气有限公司 ,江苏省南京市 ２ １． ０ ０ ０ ８ ６; ２． １ １ １ ０ ２
] ５, ７, ９ Ｇ １ ０ . 换 流 器 运 行 时, 串联组成 桥 臂 开 关 [ 通过控 制上 ㊁ 下桥臂开关交替导通 , 使得输出波形为正弦波
流出能量 . 要稳定 桥 臂 中 各 子 模 块 的 电 容 电 压 , 就 要保持桥臂流入流出的能量是平衡的 . 该条件可以 表示为 : ( ) Δ E ＝Ea Ed １ c－ c＝０ 式中 : Δ E, Ea Ed c, c分别为导 通 期 前 后 桥 臂 不 平 衡 的 能量 ㊁ 交流侧流入的能量和直流侧流出的能量 . ( , 桥臂交流端和直流端的电压分别可 Ims i n φ－ ϕ) / 以表示为 Ucms 其中 Ud i nφ 和 Ud ２, Ucm , Im , c c, φ, ϕ 分别为直流电压 ㊁ 阀 侧 交 流 电 压 Uc 的 幅 值 ㊁ 交流电 流幅值 ㊁ 电 压 当 前 相 位 和 功 率 因 数 角 . 因 此 Ea c和 ( Ea Ucm ( s i nφ) Ims i n d c＝ φ －ϕ) φ
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０
( ) c o s ７ ϕ＝０ ) 从式 ( 和式 ( 可 以 看 到, 阀侧交流电压与直 ６ ７) 流电压满足固定的 比 例 或 者 功 率 因 数 为 ０ 时 , 概念 性的控制方法才能实现桥臂能量的平衡 . 实际运行 意调节 , 而偏 离 式 ( 和式( 条 件 时, 桥臂的能量 ６) ７) ( 等效于子模块电容电压 ) 将失去平衡 . 假设 上 ㊁ 下桥臂的换流时间选在相对电压过零 点的特定相角α 处 , 每个桥臂导通半个周期 π, 能否 解决概念性控制方法的问题呢 ? 要实 现 桥 臂 能 量 的 平 衡 , 则要求导通的桥臂在 从电压相角α 开始 到α＋π 的 完 整 导 通 区 间 内 输 入 输出的能量差为零 . 将 式 ( 积分的起点和终点改 ４) , ( ) 为α 和α＋π 由 此 得 到 式 ８ 所 示 的 新 的 能 量 平 衡 方程 : 的阀侧电压 Uc 和 直 流 电 压 Ud c通 常 由 交 流 电 网 和 直流电网的潮流状 况 决 定 , 这些电压并不总是能随
２ ,汪楠楠２,卢 ㊀ 宇２,陈 ㊀ 勇２ 冯亚东１,
摘要 :桥臂交替导通多电平换流器 ( 的桥臂由多个全桥子模块和带有反向并联二极管的绝 AAMC) ) , 缘栅双极 型 晶 体 管 ( 串 联 通 过 上 下 桥 臂 轮 流 导 通 来 输 出 多 电 平 的 正 弦 波. 如 何 维 持 I G B T 建立了在特定 AAMC 子模块电容电压稳定是 AAMC 研究的难 点 . 从 桥 臂 能 量 平 衡 的 概 念 出 发 , 角度进行上下桥臂换流实现桥臂子模块电容电压控制的能量平衡方程 , 提出了换流角的计算方法 . 通过桥臂最大导通电压的研究 , 提出了两个换流角的解与无 功 功 率 的 互 补 特 性 . 依 据 无 功 方 向 优 化选择换流角 , 有效降低了桥臂最大导通电压 , 减少了桥臂所需子模块的数量 . 通过换流角与电容 电压耦合机理研究 , 提出了局部 线 性 化 的 电 容 电 压 一 阶 模 型 , 以此为基础提出了换流角前馈与比 ) , 例 积分 ( 控制相结合的电容电压控制策略 既提高了控制响应的快速 性, 又保证了电容电压的 P I / 稳定性 . 通过 P S C A D EMT D C 仿真验证了基于换流角的子模块电容电压控制方法的有效性 . 关键词 :电压源换流器型高压直流输 电 ;桥 臂 交 替 导 通 多 电 平 换 流 器 ;能 量 平 衡 方 程 ;电 容 电 压 平衡控制 ;控制策略