硕士学位论文-基于模块化多电平换流器结构的HVDC+Light系统的研究.pdf

合肥工业大学 硕士学位论文 基于模块化多电平换流器结构的hvdc light系统的研究 姓名：于德政 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：苏建徽 20090401 基于模块化多电平换流器结构的h v d cl i g h t 系统的研究 摘要 轻型高压直流输电系统在解决交流系统非同步互联、向偏远地区的无源负 荷供电、满足保护环境要求等方面具有很大的优势。在传统的基于两电平或三 电平电压源型换流器的轻型高压直流输电系统中，换流器交流侧需要使用体积 庞大和笨重的滤波装置，桥臂的高电压需要功率开关器件直接串联来实现等， 增大了换流站的占地空间，降低了换流器的工作效率。 本文针对传统轻型高压直流输电系统所存在的缺点，采用一种新的模块化 多电平换流器作为轻型高压直流输电系统的换流器。分析了模块化多电平换流 器的工作原理，并提出将其应用于轻型高压直流输电系统的调制算法和控制策 略。最后对控制系统的具体实现方案进行一定的探讨。通过仿真验证所提出的 调制算法和控制策略的正确性。具体说来，全文的主要工作体现在以下几个方 面： 1 、详细讲述模块化多电平换流器的拓扑结构、子模块的具体实现形式及工 作原理，并提出适合该换流器的调制算法。 2 、详细介绍组成轻型高压直流输电系统的电压源型换流器的工作原理，分 析电压源型换流器的间接电流和直接电流控制策略。 3 、对基于模块化多电平换流器的轻型高压直流输电系统进行仿真，验证所 提出控制策略的正确性。 4 、探讨解决模块化多电平换流器子模块直流侧电容电压的均衡问题，提出 一种较为简单有效的控制方法。 5 、提出基于模块化多电平换流器结构的轻型高压直流输电控制系统的实现 方法，并重点讲述子模块的数字逻辑电路的实现方法。 关键词：模块化多电平换流器；轻型高压直流输电；直流电容电压均衡； 数字信号处理器；复杂可编程逻辑器件 s t u d yo fh v d cl i g h tb a s e do nm o d u l a r m u l t i l e v e lc o n v e r t e r a b s t r a c t t h e r ea r eg r e a ta d v a n t a g e si n s o l v i n g t h e n o n - s y n c h r o n o u sa cs y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ，s u p p l y i n gp o w e rt ot h er e m o t ep a s s i v el o a d s ， s a t i s f y i n g t h e d e m a n d i n go fp r o t e c t i n g e n v i r o n m e n t b ya p p l y i n g h v d cl i g h ti n p o w e r t r a n s m i s s i o n t r a d i t i o n a lh v d cl i g h ts y s t e m sa d o p tt w o - l e v e lo rt h r e e - l e v e l v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r s t h e s ec o n v e r t e r sn e e db u l k yf i l t e r s ，m a n yp o w e r e l e c t r o n i c sd e v i c e si nd i r e c ts e r i e s ，w h i c hn e e d l a r g es p a c ea n dr e d u c et h e e f f i c i e n c yo ft h ec o n v e r t e r s i nt h i sp a p e r ，an e wm o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e ri su s e da sac o n v e r t e ro f h v d cl i g h t ，w h i c ha v o i d st h o s ed i s a d v a n t a g e sa b o v ee f f e c t i v e l y f i r s t l y ，t h e p r i n c i p l eo fm o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e ri sa n a l y z e d s e c o n d l y ，t h em o d u l a t i o n a r i t h m e t i ca n dc o n t r o ls t r a t e g yo fh v d cl i g h tw h i c ha d o p t sm o d u l a rm u l t i l e v e l c o n v e r t e ri si n t r o d u c e d t h i r d l y , t h er e a l i z a t i o ns c h e m eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s p r o p o s e d ，t o o f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e np e r f o r m e dt ov a l i d a t e m o d u l a t i o na l g o r i t h ma n dc o n t r o ls t r a t e g i e s t h em a i na s p e c t so ft h i sd i s s e r t a t i o n a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h et o p o l o g yo fm o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ，t h et o p o l o g ya n dp r i n c i p l eo f s u b m o d u l a ra r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h em o d u l a t i o na l g o r i t h mi se x p l a i n e d 2 t h ep r i n c i p l eo fv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e ri si n t r o d u c e d ，a n dt h es t r a t e g i e so f i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la n dd i r e c tc u r r e n tc o n t r o la r ea n a l y z e d 3 s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e dt ov a l i d a t et h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fh v d cl i g h tw h i c h c o n s i s to fm o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r 4 t h ea v e r a g ea n db a l a n c ec o n t r o lo fs u b m o d u l a rc a p a c i t o rv o l t a g e si sd i s c u s s e d ， a n das i m p l ec o n t r o lm e t h o di sg i v e n 5 t h er e a l i z a t i o ns c h e m eo fh v d cl i g h tc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm o d u l a r m u l t i l e v e lc o n v e r t e ri sd i s c u s s e d ，s p e c i f i c a l l yt h ed i g i t a li m p l e m e n t a t i o no f s u b m o d u l a ri sf o c u s e do n k e y w o r d s ：m o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ；h v d cl i g h t h i g hv o l t a g ed i r e c t c u r r e n tl i g h t ；t h ea v e r a g ea n db a l a n c eo fc a p a c i t o r s ；d s p - d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ；c p l d c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e i i 插图清单 图1 1 二极管筘位型多电平换流器拓扑结构图2 图l 一2 飞跨电容型多电平换流器拓扑结构图3 图1 3 级联型多电平换流器拓扑结构图3 图1 4h v d cl i g h t 系统的基本结构图6 图1 5 两电平换流器和三电平换流器主电路图6 图1 6 星型和三角型结构的模块化多电平换流器拓扑结构图8 图1 7 模块化多电平换流器拓扑结构图9 图2 一l 模块化多电平换流器单相拓扑结构1 2 图2 2 子模块s m 的拓扑结构1 3 图2 3 子模块的三种工作状态图1 4 图2 4 三相模块化多电平换流器15 图2 5 模块化多电平换流器工作原理图15 图2 6 子模块保护电路示意图1 7 图2 7 子模块直流电容的预充电原理图1 8 图2 8 载波相移p w m 调制示意图1 9 图2 9 调制波载波分别移相半周期后的p w m 波形2 0 图2 1 0 子模块s m 直流侧电容电压均衡控制原理图2 2 图2 1l 载波层叠p w m 的s i m u li n k 模型图2 2 图2 1 2 三相五电平模块化多电平逆变器主电路的p l e c s 仿真模型图2 3 图2 1 3 载波相移调制法的输出相电压和线电压波形图2 4 图2 1 4 模块化九电平换流器的输出相电压和线电压波形2 4 图2 1 5 一个4 0 0 m w 模块化多电平换流器的仿真波形图2 5 图3 1 电压源型换流器的模型电路2 7 图3 2 电压源型换流器的运行方式相量图2 7 图3 3 向无源网络供电的轻型高压直流输电系统的结构图2 8 图3 4 整流器间接电流控制系统结构图一3 0 图3 5 整流器直接电流控制结构图3 1 图3 6 逆变器电压环控制结构图3 2 图4 1 模块化多电平整流器的仿真模型3 4 图4 2 单元模块为直流稳压源时整流器直流电压和交流侧三相电流波形3 5 图4 3 单元模块为直流稳压源时整流器a 相交流侧电压和电流的波形3 5 图4 4 系统三相交流电压和电流波形和直流侧电容电压波形图3 6 图4 5a 相相电压和相电流波形图3 6 图4 6a 相上桥臂各模块直流侧电容电压波形图3 7 图4 7a 相下桥臂各模块直流侧电容电压波形图3 7 v i 图4 8 相对于直流侧中点的相电压和线电压波形图3 9 图4 9 负载侧a 相相电压和相电流波形图3 9 图4 1 0 负载侧交流侧的相电压和线电压波形图4 0 图4 1 1 相对于直流侧中点8 相b 相相电压和相间线电压波形图4 l 图4 1 2a 相相电压和相电流波形图4 1 图4 1 3 交流侧a 相b 相相电压和a b 相间线电压波形图4 1 图4 1 4a 相上桥臂四个子模块直流侧电压波形图4 2 图4 15a 相下桥臂四个子模块直流侧电压波形图4 2 图5 1 控制系统的结构框图4 6 图5 2 子模块s m 的控制框图4 6 图5 3 载波周期计数初值示意图4 7 图5 4q u a r t u si i 设计开发流程图4 8 图5 5 子模块控制系统的软件设计图4 9 图5 6 调制波数据锁存模块图4 9 图5 7 载波数据锁存及载波发生模块图5 0 图5 8 比较单元模块图5 0 图5 9 死区时间数据锁存及作用模块图5 0 图5 1 0 死区时间数据锁存及作用仿真波形图5 l 图5 1 l 模块化五电平a 相第一个模块软件设计的仿真结果图5 1 v i i 表格清单 表4 1 模块化多电平整流器子模块直流侧为直流电压源时的仿真电路参数表 3 4 表4 2 模块化多电平整流器子模块直流侧为电容时的仿真电路参数表3 5 表4 3 模块化多电平逆变器器子模块直流侧为直流电源时的仿真电路参数表 ：；9 表4 4 模块化多电平逆变器器子模块直流侧为电容时的仿真电路参数表4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谤 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金罡工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：尹你吹 签字日期：如9 7 年吁月h 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目里工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盟 兰些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：一一于镶攻 导师签名： 签字日期：么呻年f p 月肛日 j 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期： 电话： 邮编： 勇陟红 砂0 7 年牛月m 致谢 从本科毕业设计到研究生生活的结束，已在能源所度过了三个多春秋。回 顾走过的每一步，无不凝聚着师长、同学和亲友的无私关怀与帮助。借此论文 完成之际，谨向所有关心、支持我的老师与同学表示深深的谢意! 首先感谢我的导师苏建徽教授。三年多以来，苏老师在学习、科研和生活 方面都给了我很大的帮助和支持。科研过程中，苏老师为我提供丰富的实践机 会和良好的实验条件，课题研究中遇到的难题，多次在苏老师的指导下迎刃而 解。我的课题研究能够顺利进行，并取得一定阶段性成果，和苏老师的无私帮 助和精心指导是分不开的。永远忘不了，苏老师在百忙之中牺牲休息时间为我 解决各种难题，使我明白许多道理，逐渐走向成熟。苏老师治学严谨、知识渊 博、诲人不倦，待人诚恳，在学术和为人上都为我做出了榜样。在此，我向他 表示最真挚的感谢! 感谢张国荣老师和茆美琴老师。张老师严谨的治学态度，渊博的学识和宽 厚的师长作风，给了我深刻的启迪。茆老师精深的理论水平、广泛的知识范围 和出色的外语能力令我敬佩不己。他们博学、忘我的工作以及平易近人的作风， 使我受益非浅。 感谢能源所的汪海宁老师、杜艳老师、杜雪芳老师、张健老师、刘翔老师、 陈林老师和刘宁老师等多位老师给予的帮助。 感谢杨向真博士、赖纪东博士、张颖媛博士和李冉、焦道海、陶然、茹心 琴等师兄师姐，他们曾在仿真技术、d s p 技术、c p l d 技术和硬件电路设计和调 试方面给予我很大的帮助。 感谢与我同届的同学们，三年来我们朝夕相处，相互帮助，留下了美好的 回忆，结下了深厚的友谊。他们是：武伟、董康、贺敬、瞿晓丽、朱国军、吴 胜兵、王晓刚、王英、全江华、陈轶涵、项若轩和刘程等。 感谢能源所的潘正国以及0 7 级的陈忠、虞海贤和0 8 级的金曼等其他0 7 、 0 8 级多位同学的帮助和指导。 最后感谢我的家人多年来对我的养育和支持，家人的支持是我前进的动力， 我的点滴收获无不凝聚着家人的心血! i i i 作者：于德政 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 在高压大功率调速领域，多电平换流器以其能对大功率交流电动机进行变 频调速，实现了节约能源和保护自然环境的目的。在电能的传输过程中，传统 的交流输电系统面临着占用较大的输电走廊、线路损耗过大、电磁干扰较为严 重、破坏自然生态环境等问题，不能满足现今输电走廊空间有限、人们对环境 保护的意识逐步提高的要求。在当前环境问题日益突出、能源严重短缺的情况 下，风力、太阳能等可再生能源发电得到了突飞猛进的发展，可再生能源发电 并网对传统电网的输配电系统的能量流动产生了巨大的冲击，需要更加复杂的 系统控制和保护策略，多端高压直流输电系统能有效的解决以上问题。根据欧 盟对未来智能电网的定义要求未来电网主要具有以下特征1 1 1 ：满足用户负载任 意变化的柔性能量系统；满足任意种形式能量地接入，特别是产生甚至不产生 二氧化碳等污染的新能源地接入；具有良好的供电质量和可靠性；具有良好的 经济性等。高压直流输电系统( h v d ch i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) 和柔性交 流输电系统( f a c t sf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 能较好的适应未来智能 电网的要求，同时在向偏远海上钻探平台和孤岛等无源负载的供电领域，采用 传统电网换相换流器( l c cl i n e c o m m u t a t e dc o n v e r t e r ) 的直流输电系统己不 能满足这些需求【2 j 。于是，人们提出将以可关断功率器件为基础的电压源型换 流器( v s cv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ) 应用于直流输电系统，并称其为轻型高 压直流输电系统。传统的轻型高压直流输电系统的换流器多采用两电平或三电 平电压源型换流器，为了满足电网的高压、大功率，每个桥臂需要多个功率开 关管串联来实现高的电压等级，但开关功率管串联的动、静态均压问题不容易 解决，并且为了实现交流侧较好地电压输出，需要功率开关管工作在高的开关 频率，高开关频率带来功率开关管的损耗增大，高电压要求开关管具有很高的 电压应力，同时交流侧需要体积庞大和笨重的大容量滤波装置，造成换流站占 地空间大、能量损耗高。因此开发和选择合适的换流器应用于轻型高压直流输 电系统就显得十分重要和必要。 1 1 多电平换流器技术概述 在高压大功率的工业和输配电领域，一方面，人们希望电力电子装置能够 处理越来越高的电压等级和功率等级，以满足高压大功率电能地变换和处理； 另一方面，为了满足输出电压低次谐波含量低的要求，又希望这些大功率电力 电子装置能工作在高开关频率下，并且尽量减少产生电磁干扰( e m ie l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。随着电力电子半导体器件的发展，单个功率开关管的电 压和功率等级得到了极大地提高，6 k v 6 k a 的门极换相晶闸管( g c tg a t e c o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 已经商用，1 0 k v 的g c t 在技术上也已成熟【3 j ，绝缘栅 双极性晶体管( i g b ti n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 的电压等级也达到6 k v 以上，电流等级也达到了3 6 k a 。但在许多应用场合，传统的两电平电压源型 换流器拓扑，已不能满足更高电压和功率等级的要求。并且以现有电力电子器 件的工艺水平，其功率处理能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开 关频率就越低。所以为了实现高频化和低e m i 的大功率变换，在功率器件水平 没有本质突破的情况下，从电路拓扑和控制方法上寻找解决方案成为研究者研 究和探讨的方向。到目前为止，已提出多种高压大功率变换的解决思路和方法， 比如：功率器件的串并联技术、逆变器并联技术、多重化技术、组合换流器相 移s p w m 技术和多电平换流器技术等【4 。8 】。其中多电平换流器技术是一种具有 代表性和较为理想的解决高压大功率变换的方案，受到人们越来越多的关注、 研究和应用。 1 1 1 多电平换流器的拓扑结构 多电平换流器是由多个电平台阶来合成阶梯波，以逼近正弦输出电压，电 平数越多，所得到的阶梯波电平台阶就越多，从而越接近正弦波，谐波成分越 少。从理论上讲，多电平换流器可以通过合成无穷多个电平台阶，最终实现零 谐波的输出。但在实际应用中，受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在满 足性能指标的前提下，并不追求过高的电平数。 目前所见到的多电平换流器，按主电路拓扑结构来分，主要分为三类基本 的拓扑结构：二极管箝位型多电平换流器、飞跨电容型多电平换流器和级联型 多电平换流器。在这三类基本拓扑结构的基础上又派生出了许多改进的拓扑结 构【8 - 9 1 。 ( 1 ) 二极管箝位型多电平换流器 图卜一l 二极管箝位型多电平换流器拓扑结构图 2 二极管箝位型多电平换流器，也称作中性点箝位型多电平换流器，二极管 箝位型五电平换流器的拓扑结构如图1 1 所示。直流侧电压由若干个相同容量 的电容串联，通过合适的控制算法使得不同的开关管和箝位二极管导通和关断， 使交流侧输出不同电平的电压。此拓扑结构简单，但需要大量的箝位二极管， 内外侧的主开关器件导通时间不对称，使得其需求的电流容量不相等，造成功 率开关器件选取的困难，最大的缺点是直流分压电容不容易达到均衡控制。 ( 2 ) 飞跨电容型多电平换流器 图l 一2 飞跨电容型多电平换流器拓扑结构图图1 3 级联型多电平换流器拓扑结构图 飞跨电容型多电平换流器采用悬浮电容代替二极管对功率开关进行直接箝 位，所以也称作电容箝位型多电平换流器。其电容箝位型五电平换流器的拓扑 结构如图1 2 所示。该拓扑结构虽然不存在二极管箝位型换流器中主开关管的 电流容量不相等问题，但需要大量的箝位电容，并且在运行过程中必须严格控 制悬浮电容电压的平衡以保证换流器的运行安全。 ( 3 ) 级联型多电平换流器 级联型多电平换流器的每相采用若干个单相h 桥电路的单元模块串联组 成，所以也称作h 桥级联型多电平换流器。级联型五电平换流器的拓扑结构如 图1 3 所示。该拓扑结构避免了前两种拓扑结构的电容均压和平衡问题，易于 模块化组合，比较容易实现较高的电压等级，因此成为多电平换流器实用化最 高的一种，但其需要多个独立的直流电源，当采用不可控整流得到直流电源时， 为减少对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现，这种 变压器体积庞大、成本高、设计困难，另外该拓扑结构不易实现四象限运行。 三种基本的多电平拓扑结构可以进行相互组合得到新的拓扑结构，比如在 级联型多电平换流器的单元结构中使用二极管箝位型三电平换流器作为单元模 块，或者使用两电平和三电平相互混合的单元模块，输出电压的电平数就会更 丰富，得到的拓扑结构也就越多，在一些性能上就会得到更大的提高。 1 1 2 多电平换流器的调制和控制技术 多电平换流器的调制和控制技术伴随着拓扑结构的产生而形成，过去的二 十多年里，出现了大量的控制方法。从广义的范畴看，分为载波p w m 技术和 空间矢量p w m 技术；按照开关频率的高低，分为基频调制和高频调制。基频 调制指在一个工频周期内每个开关器件只开关一次或两次，产生阶梯波的输出 电压，这种调制方法称为基频调制，特点是开关频率低，开关损耗小，但输出 电压谐波含量较大，目前应用较少。随着微处理器和数字信号处理器的发展， 高频p w m 调制成为电力电子装置的核心调制技术，所谓高频调制是指在一个 输出电压的一个工频周期内，每个开关器件开关许多次，一般分为载波调制法 和空间矢量调制( s v ms p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ) 法【8 。9 j 。 载波调制法可分为载波相移法和载波层叠法。所谓载波调制p w m 控制技 术，就是通过载波和调制波地比较，得到开关脉宽控制信号。载波层叠法采用 多个幅值相同的三角载波叠加，然后与同一个调制波比较( 或两个调制波比较， 称为倍频层叠载波p w m 调制) ，得到多电平p w m 波，上述三种基本拓扑结构 都可以采用这种调制方法；载波相移法一般用在级联型多电平换流器中，用多 个相位不同、幅值相同的三角载波与调制波比较，生成p w m 波分别控制各个 换流器单元，输出波形叠加便得到多电平电压波形输出。同时为了实现其它的 控制目标和性能指标，如电容电压的平衡、优化输出波形、提高直流电压利用 率、开关管功率平衡等，科研工作者又提出了许多优化的p w m 方法，比如加 入零序分量的载波p w m 调制法和特定谐波消去法等【l0 1 。 空间电压矢量s v p w m 调制法是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机 获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流 电动机的理想磁通圆为基准，用换流器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近 基准圆磁通，由他们比较的结果决定逆变器功率开关器件的动作，形成p w m 波形地输出。由于其具有模型简单，便于数字化实现、电压利用率高等优点， 在目前的开环和闭环控制系统中均得到广泛的应用【l 。 1 2h v d cl i g h t 概述 1 2 1h v d c 的发展 传统的交流输电系统的输电线路需要较宽的输电走廊，交流线路损耗很大， 且随着交流输电系统容量的增大、线路距离的增长以及电网结构的复杂化，使 得交流输电系统所具有的稳定性差、短路电流要求高、传输压降较大、无功功 率补偿等问题日益突出。 4 1 9 5 4 年世界上第l 条采用汞弧阀作为直流输电系统的换流器件开始投入运 行，到1 9 7 2 年晶闸管阀开始作为直流输电的换流器件，标志着晶闸管阀开始取 代早期的汞弧阀成为直流输电系统的换流器件时代地到来，直到目前h v d c 已 作为一项日趋成熟的技术在远距离大容量输电、地下或水下电缆输电、两个交 流系统之间的非同步互联、在互联电力系统中控制潮流等方面得到了广泛的应 用【l2 1 。此间h v d c 技术在不断地改进，但就其本质而言，它们都采用半控型电 力电子器件晶闸管并采用电网换相的电流源型换流器技术，存在一些固有的缺 陷，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 传统h v d c 的换流器需要吸收大量的无功功率，其数值约为输送直流 功率的4 0 6 0 ，且换流器产生的谐波次数低、容量大，这就需要大容量的无功 补偿和滤波设备，而且在甩负荷时会出现无功过剩，可能会引起过电压。 ( 2 ) 传统h v d c 的换流器需要交流电网提供换相电流，这个电流实际就是 相间的短路电流，因此要保证换相的可靠，接收端( 也称受端) 交流系统必须 具有足够的容量，即必须有足够的短路比，当接收端电网比较弱时，便容易发 生换相失败。 ( 3 ) 因为传统h v d c 的换流器需要交流电网提供换相电流，这就要求受端 系统必须是有源网络，因此传统h v d c 不能向无源网络( 如孤立负荷) 输送电 能。 ( 4 ) 传统直流输电的终端换流器和滤波器的费用比较高，且占地面积大， 运行过程中损耗大，需要很大的投资，因此仅在远距离、大容量的电能传输场 合，传统的h v d c 才有经济优势。 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再 生清洁能源，优化能源结构。风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大， 其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传 统电流源型换流器的直流输电技术联网显得很困难和不经济。同时对于海上钻 探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又 污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网容量，但城市 人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能， 另一方面要求大量的配电网转入地下，减少配电网所产生的e m i 。因此，迫切 需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。 随着电力电子器件和控制技术的发展，高压直流输电的换流站采用基于 i g b t 、i g c t 等全控型电力电子器件和p w m 技术的电压源型换流器成为可能。上世 纪9 0 年代后期，以a b b 为代表的国外公司提出基于p w m 控制的电压源型换流器 ( v s c ) 进行直流输电的概念，并成功应用于许多工程项目中。这种使用v s c 的 直流输电系统称电压源型换流器高压直流输电系统( v s ch v d c ) ，并常常将其 称为轻型高压直流输电技术( h v d cl i g h t ) 。从其技术特点和实际工程的运行 来看，很适合应用于可再生能源比如大型风电场并网、分布式发电并网、孤岛供 电、大城市电网供电、非同步交流电网互联、多端直流输电等领域【”】。 i 2 2h v d cl i g h t 系统的基本结构 图1 4h v d cl i g h t 系统的基本结构图 h v d cl i g h t 系统的基本结构如图l 一4 所示，电能的发送端和接收端具有相 同的结构，换流站采用全控型器件i g b t 和p w m 调制技术的电压源型换流器。 电抗器是换流器和交流侧进行能量交换的桥梁，直流侧电容的作用是为接收端 的逆变器提供直流电压支撑和直流侧滤波的作用。当有一端是无源负载，而不 是交流电网时，我们称作向无源网络供电的轻型高压直流输电系统。目前，世 界上只有a b b 一家具有实际的h v d cl i g h t i 程业绩，换流器的拓扑结构为两电 平和三电平( 二极管箝位型) 2 种u 引。典型的两电平和三电平电压源型换流器 的拓扑结构如图1 5 ( a ) 和( b ) 所示，值得提出的是图中每个开关器件实际 上是由若干个功率开关器件直接相串联的。 ( a ) 两电平换流器主电路( b ) 三电平换流器主电路 图1 5 两电平换流器和三电平换流器主电路图 虽然随着电力电子技术和半导体技术的发展，单个功率器件的耐压和容量 得到了很大的提高，如i g b t 的耐压水平达到6 k v 以上，通断电流已达3 k a 以上， 但相对于大电网的电压而言，单单使用单个开关器件组成的拓扑结构还远远不 能完成电能的变换。a b b 采用开关器件串联的方法组成换流器的每个桥臂，但 开关管串联时需要同时进行开通和关断，对开关器件的动静态均压特性要求也 6 很高，否则将导致分压不均，造成设备性能下降甚至损坏。本文将基于s i m e n s e 公司提出的一种新的模块化多电平电压源型换流器进行研究，有效地实现电能 的变换并避免开关管的直接串联。 1 2 3h v d cl i g h t 的技术特点和研究现状 h v d cl i g h t 采用可控关断型电力电子器件和p w m 调制技术的电压源型换流器 作为换流站的换流设备，较之传统直流输电，具有以下特点：v s c 电流能够自 关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的电网换相电压，接收端系统可以 是无源网络，克服了传统h v d c 接收端必须是有源网络的根本缺陷，使利用h v d c 为远距离的孤立负荷送电成为可能。正常运行时，v s c 可以同时且独立地控制 有功功率和无功功率，控制更加灵活方便。而传统h v d c 中控制量只有触发角， 不可能单独控制有功功率和无功功率。v s c 不仅不需要交流侧提供无功功率而 且能够起至f j s t a t c o m 的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。 这意味着故障时，如果v s c 容量允许，那么轻型h v d c 系统既可向故障系统提供有 功功率的紧急支援，又可提供无功功率紧急支援，从而既能提高系统的功角稳 定性，还能提高系统的电压稳定性。h v d cl i g h t 系统在潮流反转时，直流电 流方向反转而直流电压极性不变，与传统h v d c 恰好相反。这个特点有利于构成 既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，克服了传统多端 h v d c 系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。由于 v s c 交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的 h v d cl i g h t 线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。v s c 通常采用p w m 技 术，开关频率相对较高，经过高次谐波滤波后就可得到所需的交流电压，可以 不用变压器，从而简化了换流站的结构，并使所需滤波装置的容量也大大减小。 模块化设计使h v d cl i g h t 的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时， 换流站的占地面积仅约同容量下传统直流输电的2 0 9 6 。换流站间的通讯不是必 需的，其控制结构易于实现无人值守。h v d cl i g h t 的电网故障后快速恢复控 制能力良好。 国际上对h v d cl i g h t 的研究已比较深入，特别是a b b 和s i e m e n s 两家公 司，a b b 已有多条商用系统投入运行。s i e m e n s 采用新型换流器结构的轻型高 压直流输电工程也于2 0 0 7 年开始施工，预计2 0 l o 年正式投入运行【1 4 - l 引。 国内对h v d cl i g h t 的研究还处于起步阶段，浙江大学、华北电力大学、中 国电力科学研究院、华中科技大学等单位已经开展了这方面的基础理论研究。 并基本上统一采用a b b 的拓扑结构进行一些建模仿真、控制和保护策略等方面 的研究工作，已取得了一些科研成果，但要真正的实现工程化和商业化还有许 多工作要做【1 3 1 。 7 1 3 模块化多电平换流器的结构和应用意义 目前商用的h v d cl i g h t 均采用两电平电压源型换流器和二极管箝位型三 电平电压源型换流器作为换流设备，无一例外地采用开关管的直接串联来满足 电网高电压和大功率的要求。但由于串联的功率器件以及各自驱动电路的动态 和静态特性不可能完全一致，因此它们在阻断状态和开关过程中，每个器件的 压降不可能相同，需要复杂的动、静态均压电路。均压电路会导致系统控制复 杂，损耗增加，且对驱动电路的要求也大大提高，要求延迟时间接近，并尽量 短，从而降低了系统的可靠性，并且这种拓扑结构输出电压波形的低次谐波含 量较高，需要体积庞大和笨重的滤波器等附属装置【4 】【1 。7 1 。而多电平换流器能有 效地解决上述问题，但由于电网的电压很高，采用二极管箝位式多电平换流器 和飞跨电容型多电平换流器的电平数超过五电平后的拓扑结构就变得很复杂 了，不利于控制策略地实现，同样级联型多电平换流器需要若干个独立直流电 源，不能产生一个统一的直流侧电源，不易实现四象限运行的缺点阻碍了其在 h v d cl i g h t 中的应用。于是人们开始寻找新型的拓扑结构进行研究，希望找到 适合于轻型高压直流输电系统的换流器拓扑结构。 1 3 1 模块化多电平换流器的结构 模块化多电平换流器( m m cm o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ) 按组成电路的拓 扑结构来分，可以分为以下三类。图l 一6 ( a ) 为星型模块化多电平换流器的 拓扑结构图，实际上就是前述的级联型多电平换流器。图l 一6 ( b ) 为三角型 模块化多电平换流器的拓扑结构图，两者都可以实现能量的变换，即将模块的 直流侧能量传送给交流电网，但各个子模块直流侧需要独立的直流电源，两类 拓扑结构均不存在公共的直流侧，不便于用于需要统一直流侧的换流器场合。 ( a )( b ) 图1 6 星型和三角型结构的模块化多电平换流器拓扑结构图 8 第三类模块化多电平换流器的拓扑结构如图1 7 所示。该拓扑结构是 s i e m e n s 公司提出的一种新型的模块化多电平换流器【l 引。目前s i e m e n s 已 设计出了该拓扑结构的样机，并进行了样机实验。正在建设的第一条基于模块 化多电平换流器的轻型高压直流输电系统工程将于2 0 1 0 年投入运行。s i e m e n s 称这种电压源换流器用于高压直流输电的系统为h v d c p l 吣，p l u s 表示通用电 力连接系统( p o w e rl i n ku n i v e r s a ls y s t e m ) ，并注册为商标，但基于国内学者 一般都将电压源型换流器用于直流输电的系统统称为轻型高压直流输电系统， 本文也选择轻型高压直流输电系统的术语【l 引。并且为了分析方便，以下本文除 了特别指出外，所指模块化多电平换流器均是第三类模块化多电平换流器。 图l 一7 模块化多电平换流器拓扑结构图 由模块化多电平换流器的拓扑结构可知，该拓扑结构利用各个子模块( s m s u b m o d u l e ) 的串联组合成换流器的各个桥臂，一种典型的s m 如图1 7 所示， 为两个i g b t 串联的单相半h 桥结构。利用合适的算法可以使换流器工作于整 流和逆变状态，实现换流器的四象限运行，得到稳定的直流电压输出或具有很 低的电压总谐波畸变率( t h dt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 的交流电压输出。同 时直流侧u d 可以采用单相交流电源代替，实现a c a c 变换，省去一般a c a c 变换中的直流环节，提高了换流器的工作效率、节省了换流器的成本等【1 9 】【2 0 1 。 概括起来这种拓扑结构具有以下特点： ( 1 ) 模块化的拓扑结构使得设计具有很大的灵活性。使得换流站具有很强 的适应性，工程安装中的自由性比较大。 ( 2 ) 采用合适的控制算法使得在每个开关周期内，每个桥臂最多有一个模 块的开关管动作，功率器件开关频率的降低使得功耗变小、效率很高。同时交 9 流侧多电平电压输出的低次谐波含量谐波很小，在一定条件下能省去大量笨重 的交流侧滤波器，同样只产生很小的电磁干扰信号。 ( 3 ) 该拓扑结构能充分利用标准化元器件，比如使用标准化的电容器能减 少成本和提高系统的可靠性，同时交流侧使用标准的交流变压器，可以降低换 流器的成本。 ( 4 ) 当发生故障时具有很小的电流上升率，使得整个系统的可靠性大大提 一 商。 ( 5 ) 功率范围可以做到很大，子模块的数目具有很大的任意性。 ( 6 ) 模块化设计能有效缩短工程从研发、建设和投入运行的时间。 1 3 2 模块化多电平换流器的应用意义 二极管箝位型、电容筘位型多电平换流器和级联型多电平换流器虽可以实 现大功率高电压系统的能量变换，但相对于电网电压等级来说，功率和电压等 级的提高需要更多电平的换流器，使得这些拓扑结构变得极其复杂，拓扑结构 的实现和控制策略都不易实现，不便于应用到轻型高压直流输电系统中。模块 化多电平换流器所具有的模块化结构，具有很大的灵活性，在不同的功率和电 压等级中均能方便地使用，可以应用到h v d c 输电中，四象限运行特性易于应 用到交流系统非同步互联的背靠背工程中。良好的直流侧电流管理能力和故障 恢复能力使其同样能应用于架空线路中。当然，模块化多电平换流器同样可以 应用于f a c t s 中，比如s t a t c o m 中，在多端直流输电系统中同样可以应用。 总之，模块化多电平换流器能有效地应用于各类高压大功率系统中。将这种拓 扑结构应用于轻型高压直流输电系统，除了具有一般两电平电压源型换流器所 具有的能向无源负载供电、能采用p w m 调制技术对换流器进行调制控制、能 独立地调节有功和无功外，还具有实现四象限运行、实现高压大功率的运行等 优点，开辟了h v d cl i g h t 新的研究领域，对h v d cl i g h t 的发展具有很大的理 论意义和应用价值。 1 4 本文主要工作 本文在查阅大量多电平换流器和轻型高压直流输电资料的基础上，选择模 块化多电平换流器作为轻型高压直流输电系统的换流器，详细分析了模块化多 电平换流器的工作原理和轻型高压直流输电系统的工作原理，分别采用不同的 控制算法对模块化多电平换流器进行控制，分析轻型高压直流输电系统的控制 策略，仿真验证所提出模块化多电平换流器调制算法的正确性和模块化多电平 换流器应用于轻型高压直流输电系统的控制算法的正确性。最后对采用模块化 多电平换流器的轻型高压直流输