模块化多电平换流器(MMC)原理简介

1、 基本原理基本原理 在电网中，有功功率从相位超前侧流向相位滞后侧，无功功率由电压幅值高在电网中，有功功率从相位超前侧流向相位滞后侧，无功功率由电压幅值高侧侧流向流向幅幅 值低侧！值低侧！ U I UCUS 基本原理基本原理 U UC US Uc UsUL UC US时时, I 为容性为容性 I t U UC US t US UCUL UC 0UC投入 投入 21000切除 切除 4010UC闭锁 闭锁 60000 具体开关状态如表1所述。 表1 子模块的工作状态 表1 子模块的工作状态 MMC主回路拓扑结构主回路拓扑结构 MMC主回路拓扑结构主回路拓扑结构 桥臂电感桥臂电感LarmLarm设计

2、设计 桥臂电感作用 1、交流连接电感 2、抑制相间环流 3、抑制短路电流 2 2、主回路参数设计、主回路参数设计 桥臂电感桥臂电感LarmLarm设计设计 由于交流侧的三相线电压有效值为10 kV，即相电压有效值为5.77 kV。由于 直流电压为20 kV，则MMC输出的交流相电压有效值最大为7.07 kV。 2.5 Mvar,零功率因数运行时，允许电感上的压降最大为 此时，允许的网侧电感最大值为1.3 kV/(250 Hz145A)=28.6 mH。 在初始引进技术资料中取值20mH。 7.075.771.3kVkVkV 2 2、主回路参数设计、主回路参数设计 桥臂电感桥臂电感LarmLar

3、m设计设计 电感量越大，电流波形越好控制、并网冲击越小、环流抑制越方便，但是电感 压降越大、成本越高。因为需要更多的功率单元支撑才能发出同等无功功率。 电感量越小，柜体体积和成本越低，但是系统稳定性变差。对控制算法提出更 高要求。 通过电科院动模试验，目前已经把桥臂电感量从20mH下降到5mH。实际上在系统 仿真模型中，桥臂电感量可以达到3mH并且系统保持稳定。 2 2、主回路参数设计、主回路参数设计 功率模块直流电容功率模块直流电容 模块电容参数的大小直接决定了电容电压的波动范围。在额定工况下，由于功率模块 直流电容的额定电压为2000 V，按照纹波系数 =5%，则直流电容C应满足： 因为本

4、次试验方式受到时序限制，所以设置功率模块直流电容10mF。 mF U I C SM ac PM 6.4 2000%51004 578 4 2 2、主回路参数设计、主回路参数设计 2 2、主回路参数设计、主回路参数设计- -减小电容后波形减小电容后波形 2 2、主回路参数设计、主回路参数设计- -增加电容后波形增加电容后波形 目前的控制方法，能够满足：目前的控制方法，能够满足： 1 1、在、在1-50Hz1-50Hz变频工况，功率单元按照变频工况，功率单元按照30uf/A30uf/A电容设置，装置保持稳定电容设置，装置保持稳定 2 2、在、在50Hz50Hz定频工况，功率单元按照定频工况，功率单

5、元按照15uf/A15uf/A电容设置，装置保持稳定电容设置，装置保持稳定 如果控制方式能够达到在如果控制方式能够达到在1-50Hz1-50Hz变频工况，功率单元按照变频工况，功率单元按照10uf/A10uf/A 电容设置，装置保持稳定。那么就可以考虑功率单元按照薄膜电容代替电电容设置，装置保持稳定。那么就可以考虑功率单元按照薄膜电容代替电 解电容。解电容。 2 2、主回路参数设计、主回路参数设计 4 4、MMCMMC控制策略控制策略 【总体控制功能设计】 外环控制器：换流器1作为从站，换流器2作为主站，高压直流电压（额定极间电压 20 kV）由换流器1从站负责控制，两站之间的有功功率可以反转

6、，两站各自的无功 功率控制相互独立。 换流器1为直流电压环+无功功率给定； 换流器2为有功功率给定+无功功率给定； 5 5、MMCMMC功率模块均压控制功率模块均压控制 每个MMC换流器的功率模块电压的分别进行均衡控制，6个桥臂相互之间没有影 响。 在一个控制周期内，则根据桥臂电流的方向确定此桥臂功率模块的投入/切除状态： （a）若桥臂电流为投入的模块电容充电，则功率模块按照电容电压从低到高的 顺序排列，最低的N个模块在该控制周期内一直处于投入状态。 （b）若桥臂电流为投入的模块电容放电，则功率模块按照电容电压从高到低的 顺序排列，最高的N个模块在该控制周期内一直处于投入状态。 柔性直流输电

7、3、用途介绍、用途介绍 #1#2 R=0 0.0385 H 110KV侧短路容1000MVA 等效电感 0.0385 3 MVAR #1#2 R=0 0.0385 H rectify e1l e1r e2r inverter e1l e2l e1r DC1 10 MW A端电网B端电网 Idc 四象限高压变频器，带绕线异步电机 3、用途介绍、用途介绍 V A #1#2 R=0 0.0385 H 3 MVAR rectify e1l e1r e2r inverter e1l e2l e1r DC1 S TL I M W Iabc Rrotor + Rrotor + Rrotor + 0.0 0

8、Tload Idc 四象限高压变频器，带绕线异步电机 3、用途介绍、用途介绍 25 26 二、交流调速系统的分类二、交流调速系统的分类 交流电动机交流电动机 异步电动机异步电动机 同步电动机同步电动机 励磁同步电动机励磁同步电动机 永磁同步电动机永磁同步电动机 无刷直流电动机无刷直流电动机及及开关磁阻电动机开关磁阻电动机都满足都满足“定子电流的频率与转速有严格定子电流的频率与转速有严格 比例关系比例关系”的条件，所以也把它归入的条件，所以也把它归入同步电动机同步电动机 交流电动机的定子绕组通入交流电交流电动机的定子绕组通入交流电( (或周期脉冲电流或周期脉冲电流) )后，其定子磁动后，其定子磁

9、动 势是一个旋转势是一个旋转( (或步进旋转或步进旋转) )的磁动势，当的磁动势，当电机转子的转速与定子电流的电机转子的转速与定子电流的 频率有严格比例关系频率有严格比例关系的电动机称的电动机称同步电动机同步电动机，无严格比例关系的电动机，无严格比例关系的电动机 称称异步电动机异步电动机。 27 1 异步电动机的电路等效原理图异步电动机的电路等效原理图 励磁电阻励磁电抗，转子电阻， 定子电阻：转子漏抗，漏抗，： mm rxr rxx 2 121 定子 28 一、固有机械特性一、固有机械特性 1 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 )1 ( 60 )1 ( 1 0 s p f snn异步电

10、动机转速 22 cosICT Ti 转矩物理表达式 2 21 2 211 2 2 11 1 2 2 21 1 /2 / xxsrrf srpUmsrImP T em 转矩的参数表达式 29 很小 2 cos 大很多比转子电阻转子漏抗 2222 r Lx o 2222 90/接近rLarctg 起动时，转子中的电势、起动时，转子中的电势、 电流的频率电流的频率等于或接近等于或接近 于电源频率于电源频率 12 ff 很大 2 I 并不大 22 cosI 电流较大时，定子漏抗上的压降增大电流较大时，定子漏抗上的压降增大 减小感应电势 1 E 减小磁通 起动转矩不大起动转矩不大 22 cosICT T

11、i 30 st T em T s 10 曲线)(sfT 异步电动机的机械特性表达式异步电动机的机械特性表达式 曲线 sfT 有曲线段和直线段组成，以最大转矩有曲线段和直线段组成，以最大转矩 为界。为界。 m T 31 二、起动时应减小起动电流，增大起动转矩二、起动时应减小起动电流，增大起动转矩 降低起动时转子回路中的降低起动时转子回路中的 与与 的比值的比值 2 x 2 r 2 cos提高 变频起动，在较低的频变频起动，在较低的频 率下起动电动机，使起率下起动电动机，使起 动时的动时的 减小减小 2 x 转子回路串入转子回路串入 电阻，增加电阻，增加 2 r 1、绕线式异步电机、绕线式异步电机

12、 32 二、起动时应减小起动电流，增大起动转矩二、起动时应减小起动电流，增大起动转矩 大容量绕线电机软启动装置例如水阻启动、干阻启 动等，原理都是在电机转子回路串入电阻，增加启动转矩。 业内以追日、万洲、大力等为龙头的襄樊软启动企业，占 据全国大部分的市场份额。 1、绕线式异步电机、绕线式异步电机 33 2、鼠笼型异步电机、鼠笼型异步电机 在不影响在不影响“能起动能起动”的前提下，尽可能的前提下，尽可能减小起动电流，减小起动电流， 以减小起动电流对电网的冲击以减小起动电流对电网的冲击 I. 降压起动（起动电流减小，起动转矩随电压平方减小）降压起动（起动电流减小，起动转矩随电压平方减小） 1 自

13、耦变压器降压起动自耦变压器降压起动 转换起动Y2 3 定子回路串电抗器起动定子回路串电抗器起动 4 用晶闸管构成的交流调压器降压起动用晶闸管构成的交流调压器降压起动 34 2、鼠笼型异步电机、鼠笼型异步电机 II. 某些特种电机，利用某些特种电机，利用“挤流效应挤流效应”设计深槽转子电机，或双鼠笼转设计深槽转子电机，或双鼠笼转 子电机。原理都是提高起动时的转子电阻，增加启动转矩，达到降子电机。原理都是提高起动时的转子电阻，增加启动转矩，达到降 低启动电流的目的。但是这些方式会增加有功功率损耗。低启动电流的目的。但是这些方式会增加有功功率损耗。 35 异步电动机变频调电压与频率的协调控制异步电动

14、机变频调电压与频率的协调控制 定子每相电动势的有效值定子每相电动势的有效值: 11111 4.44 Nm Ef NkU 定子每相绕组的有效串联匝数定子每相绕组的有效串联匝数 11N N k 每极气隙磁通量每极气隙磁通量 m 电机调速运行时应保持气隙磁通 恒定： 磁通太强-电机励磁电流增大，功率因数降 低，铁耗增大。 磁通太弱-电机铁芯不能充分利用，电磁转 矩矩下降。 为了保持为了保持 磁通为常数，调频时应同时调压，使磁通为常数，调频时应同时调压，使 U/F=C, U/F=C, 变频调速系统常被称为变压变频（变频调速系统常被称为变压变频（VVVFVVVF） 调速系统调速系统 (Variable voltage,variable frequnecy) 3 异步电动机的调速异步电动机的调速 )s( p f )s(nn1 60 1 1 0 变频调速变频调速 MMCMMC目前的技术能力能够满足：目前的技术能力能够满足： 在在1-50Hz1-50Hz变频工况，功率单元按照变频工况，功率单元按照 30uf/A30uf/A电容设置，装置保持稳定。这也是电解电电容设