模塊化多電平柔性直流輸電動模試驗系統(tǒng)

    背景概述

鑒于日益緊張的能源問題和由此引發(fā)的環(huán)境問題，相關(guān)政策明確提出要優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和加快電力產(chǎn)業(yè)升級。亟需采用更加靈活、經(jīng)濟、環(huán)保的技術(shù)和方法來解決電能傳輸領(lǐng)域所面臨的技術(shù)難題：（1）有功功率相互支撐的區(qū)域電網(wǎng)間高效聯(lián)網(wǎng)與隔離；（2）風力發(fā)電、光伏發(fā)電等遠離負荷中心的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)；（3）孤島、海上系統(tǒng)等偏遠地區(qū)無源負荷供電技術(shù)；（4）現(xiàn)有輸配電網(wǎng)擴容及改造技術(shù)；（5）距離偏遠或地理分散的小功率電源聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；（6）靈活高質(zhì)量的電網(wǎng)有功無功調(diào)節(jié)技術(shù)。

柔性直流輸電（Flexible-HVDC）具有可向無源網(wǎng)絡供電、不會出現(xiàn)換相失敗、換流站間無需通信以及易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)等優(yōu)點，是構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要裝備，與傳統(tǒng)方式相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風電場并網(wǎng)等方面具有較強的技術(shù)優(yōu)勢，能夠有效解決電能傳輸領(lǐng)域所面臨的技術(shù)難題。

    系統(tǒng)構(gòu)成

本模塊化多電平柔性直流輸電動模試驗系統(tǒng)結(jié)合實際柔性直流輸電工程項目要求，搭建的N電平數(shù)字/物理動模試驗系統(tǒng)進行功能性試驗和關(guān)鍵技術(shù)試驗?；谠撛囼炏到y(tǒng)可開展關(guān)于MMC的子模塊均壓策略、環(huán)流控制策略、調(diào)制策略及多端協(xié)調(diào)控制等技術(shù)研究；另一方面，通過該試驗系統(tǒng)完成諸多本科/研究生教學試驗。

單端模塊化多電平柔性直流輸電動模試驗系統(tǒng)電路由進線斷路器、進線接觸器、軟啟電阻、軟啟接觸器、升壓變壓器、橋臂電抗器、測量單元和功率單元構(gòu)成；控制保護單元由極控、閥控和后臺監(jiān)控單元構(gòu)成。

主電路框圖

（2.1）MMC半橋子模塊
?工作電壓  50～150V
?工作電流0-40A
?自取電工作模式
?光口通信
?MOSFET/IGBT可選
?35.3×18.1×3.7cm

（2.2）極控與閥控
    極控系統(tǒng)連接站控和閥控系統(tǒng)，硬件采用FPGA加雙DSP的構(gòu)架，其中FPGA實現(xiàn)極控與閥控的快速通信，兩個DSP分別實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制和功率控制。極控系統(tǒng)響應站控后臺軟件的操作指令，完成功率環(huán)、電壓環(huán)和電流環(huán)的控制，下發(fā)投切子模塊數(shù)給閥控系統(tǒng)。閥控接收極控的子模塊投切數(shù)量指令和電流方向等狀態(tài)量，進行子模塊電容電壓平衡控制，生成觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)對開關(guān)管的觸發(fā)控制。

（2.3）監(jiān)控后臺（SC）
監(jiān)控后臺可實現(xiàn)多端柔直的啟停控制、運行模式切換、參數(shù)設置、故障復位和實時監(jiān)控等功能。

系統(tǒng)特點
（1）方便教學
?工程模擬：結(jié)合工程實際情況，子模塊采取自取電工作方式；
?結(jié)構(gòu)清晰：按照功能架構(gòu)組屏，方便初學者對系統(tǒng)的認知；
?直觀展示：各子模塊電壓、系統(tǒng)運行狀態(tài)信息實時顯示；

A相上橋臂各子模塊電壓顯示圖

（2）安全可靠
?采用光纖通訊方式，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行；
?系統(tǒng)穩(wěn)定。具有橋臂過流、直流母線過流、直流母線過/欠壓保護、交流側(cè)過流/過壓保護、短路、通信故障等保護功能；子模塊級具有電容過/欠壓、驅(qū)動、取能電源故障等多重保護功能；

（3）優(yōu)勢明顯
?無需交流側(cè)提供無功功率；
?4象限運行且獨立控制有功無功功率；
?諧波含量小，所需濾波裝置少；

典型試驗
? 系統(tǒng)保護試驗
? MMC試驗系統(tǒng)邏輯功能測試試驗
? 子模塊軟啟階段均壓試驗
? 子模塊正式運行階段均壓試驗
? 階梯波調(diào)制試驗
? 空載穩(wěn)壓試驗
? 低電壓穿越試驗
? 孤島試驗
? 黑啟動試驗
? 新型控制策略開發(fā)
? 有功潮流控制試驗
? 無功潮流控制試驗
? 橋臂環(huán)流抑制試驗
? 多端協(xié)調(diào)控制試驗

典型應用

1、海上風電MMC直流送出模擬系統(tǒng)
系統(tǒng)由風電機組模擬系統(tǒng)和兩個背靠背柔性直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成，其中一端模擬海上換流站，控制策略為定交流側(cè)電壓的幅值和頻率，另外一端模擬網(wǎng)側(cè)換流站，采用定直流母線電壓和定交流側(cè)無功功率的控制策略。