模塊化多電平柔性直流輸電動(dòng)模試驗(yàn)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(jí)。亟需采用更加靈活、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的技術(shù)和方法來(lái)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(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等遠(yuǎn)離負(fù)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(yuǎn)地區(qū)無(wú)源負(fù)荷供電技術(shù)；（4）現(xiàn)有輸配電網(wǎng)擴(kuò)容及改造技術(shù)；（5）距離偏遠(yuǎn)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(wú)功調(diào)節(jié)技術(shù)。

柔性直流輸電（Flexible-HVDC）具有可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、不會(huì)出現(xiàn)換相失敗、換流站間無(wú)需通信以及易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，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(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)等方面具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際柔性直流輸電工程項(xiàng)目要求，搭建的N電平數(shù)字/物理動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行功能性試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)?；谠撛囼?yàn)系統(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(yàn)系統(tǒng)完成諸多本科/研究生教學(xué)試驗(yàn)。

單端模塊化多電平柔性直流輸電動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)電路由進(jìn)線斷路器、進(jìn)線接觸器、軟啟電阻、軟啟接觸器、升壓變壓器、橋臂電抗器、測(cè)量單元和功率單元構(gòu)成；控制保護(hù)單元由極控、閥控和后臺(tái)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(shí)現(xiàn)極控與閥控的快速通信，兩個(gè)DSP分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制和功率控制。極控系統(tǒng)響應(yīng)站控后臺(tái)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(jìn)行子模塊電容電壓平衡控制，生成觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的觸發(fā)控制。

（2.3）監(jiān)控后臺(tái)（SC）
監(jiān)控后臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多端柔直的啟?？刂?、運(yùn)行模式切換、參數(shù)設(shè)置、故障復(fù)位和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）方便教學(xué)
?工程模擬：結(jié)合工程實(shí)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(xué)者對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)知；
?直觀展示：各子模塊電壓、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)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(yùn)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(hù)、交流側(cè)過流/過壓保護(hù)、短路、通信故障等保護(hù)功能；子模塊級(jí)具有電容過/欠壓、驅(qū)動(dòng)、取能電源故障等多重保護(hù)功能；

（3）優(yōu)勢(shì)明顯
?無(wú)需交流側(cè)提供無(wú)功功率；
?4象限運(yùn)行且獨(dú)立控制有功無(wú)功功率；
?諧波含量小，所需濾波裝置少；

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

典型應(yīng)用

1、海上風(fēng)電MMC直流送出模擬系統(tǒng)
系統(tǒng)由風(fēng)電機(jī)組模擬系統(tǒng)和兩個(gè)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(wú)功功率的控制策略。