1、新型模块化多电平换流器通用平台的研究摘 要 为了提高学生在高压直流输电方面的科研能力，探索模块化多电平换流器的扩展配置，提出把专业知识和应用实践结合起来，设计制作了新型模块化多电平换流器通用平臺的方案，采用 T 型全桥子模块的拓扑重构，串行通信的MMC 层次化控制方案，提升了数据传输的容量和速度，具有通用性和可扩展性。整个新型模块化多电平换流器通用平台达到最高直流电压 2KV，最大容量100KW，子模块电容 4800uF，桥臂电抗器 10mH 的技术指标。实践证明，自制新型模块化多电平换流器通用平台，实现 MMC 灵活配置，培养专业人才，是实现科研成果转化为工程应用的重要实践典范。关键词 高压
2、直流输电 模块化多电平换流器 全桥子模块 串行通信中图分类号：TM721.1文献标识码：ADOI：10.16400/ki.kjdkx.2019.07.011Abstract In order to improve students research ability on the highvoltage direct current transmission and explore the expansionconfiguration of modular multilevel converter，the new modularmultilevel converter universal pla
3、tform is proposed to design andfabricate with the combination of the specialty knowledge and thepractical application.The key technologies including T-type full-bridge sub-module topology and the serial communication inHierarchical control scheme are utilized for the universalrequirement and scalabl
4、e demand to improve the capacity and speed ofcommunication.The working parameter can reach the 2KV direct gridwith 100KW capacity，4800uF sub-module capacitance，and 10mH bridgearm reactor.It is demonstrated by the practical experience thatself-fabricated new modular multilevel converter universal pla
5、tformcan realize the flexible MMC configuration and cultivate thespecialty researchers，which is the vital practical example toconvert the scientific results into the engineering application.Keywords flexible high voltage direct current transmission;modularmultilevel converter（MMC）;full-bridge sub-mo
6、dule;serialcommunication0 引言在我国西部地区电力充足、东部地区电力紧缺的实际状况中，电力能源的运输显得尤其重要。预计到 2020 年，我国将发展成为以特高压为骨干输电网架，西电东送容量超过 1.5 亿 kW 的巨型交直流电网。1高压直流输电（highvoltage direct current，HVDC）比交流输电具有更高的经济性、可靠性、稳定性。2高压直流输电技术没有感抗、容抗、同步等等的无功问题，电能损耗小，传输线路建设造价低，电压分布平稳，传输效率高，节能效果好，因此高压直流输电技术在大功率远距离输电中具有明显的优势，是电力电子技术应用领域的前沿技术，也是智能电
7、网的关键技术。模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）无需大量IGBT 串联、器件承受电压变化率低、输出波形谐波含量较低，已成为柔性直流输电领域的发展趋势和研究热点。4MMC 基于模块化设计，可以实现电压和功率等级的灵活变化，适合用于直流输电。5具有对器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低等诸多优点。6纵观目前学术界和工业界所搭建的 MMC 样机，其控制系统功能设计通常较为单一，通用性较差，难以实现 MMC 样机全状态运行变量的准确控制和监测;此外，现有工程样机往往针对某一特定子模块拓扑开发，在硬件上缺乏扩
8、展能力。因此在高校的实践教学中，开展新型模块化多电平换流器通用平台的自制设计，实现多种电平柔性直流输电，把电力电子及电力传动技术和电力传输的应用实践相结合开展实践研究，使高年级本科生和研究生更深层次地理解专业知识，为高年级本科生和研究生的教学研究，提供了实践应用平台，对于提高高压直流输电的研究水平，探索高压直流输电的新技术，培养高压直流输电的科研技术人才都有积极的促进作用。1 新型 MMC 通用平台的设计实践在设计实践中包含对新型 MMC 通用平台的原理认识，设计制作和运行分析三个方面的实践工作。1.1 新型 MMC 通用平台的工作原理HVDC 输电以其在长距离大容量输电、海底电缆输电和非同步
9、联网等领域的独特优势而得到了广泛应用，高压直流输电的核心设备是换流器，换流器是实现交直流电相互转换的设备，当其工作在整流（或逆变）状态时，又称为整流器（或逆变器）。7已有的电压源换流器高压直流输电（voltage sourceconverter based high voltage direct current transmission，VSCHVDC）是一种基于电压源换流器和自关断器件的新型输电技术，提高电网的电压及频率稳定性，具有交流电流谐波含量低、直流电压恒定等特点。8电压源换流器开关频率过高而导致的较大损耗、电压等级低、绝缘栅双极晶体管（insulatedgate bipolar tr
10、ansistor，IGBT）器件串联引起的静态、动态均压和电磁干扰等，3 电平、多电平拓扑具有输出特性差、难以模块化生产，需要大量额外的独立直流电源，并且其拓扑中不存在公共的直流正、负极母线，因而不适用于高压直流输电领域。9MMC 克服了 VSC 的技术难题，目前半桥和全桥 MMC 是高压大功率柔性直流输电的热点研究对象，MMC 的拓扑结构比 VSC 技术的 2 电平和 3 电平拓扑好，尤其是避免了 VSC 输出特性差的缺点，MMC 能够有效降低能量损耗。图 1 是 MMC 的拓扑结构。9图 1 中子模块的开关状态如表 1 所示。MMC 具有半桥型电路和全桥型电路的应用模式。半桥型 MMC 损
11、耗小，全桥型 MMC输出三种电平，可以解决直流侧短路的故障。10但是柔性直流输电的高压大功率电网中，电压等级高，子模块数目多，测试工作量大，这是研制新型 MMC通用平台的技术挑战。1.2 设计制作在新型 MMC 通用平台的工程设计制作中，需要完成平台的配置，拓扑结构建立和通信方案制作 3 个方面的工作。1.2.1 新型 MMC 通用平台的配置MMC 在高压直流输电的电网中工作时，由多个控制器协调工作、信息交互量大，为此建立的系统配置如图 2 所示。主要的参数如表 2 所示。1.2.2 新型 MMC 通用平台的拓扑结构MMC 的工程设计的需要满足电压等级高，系统容量大，子模块数目多，可靠性要求高
12、，测试组装工作量大，控制系统复杂等要求。实现直流电压 2KV，额定容量 100KW 的系统参数中工作。通过集成化可控设计和层次化 MMC 通信方案实现新型 MMC 通用平台的设计。在设计集成化的可控设计采用的 T 型全桥模块如图 3 所示，集成化功能模块，灵活可控。对图 3 所示的 T 型全桥通过拓扑重构，衍生出不同的子模块拓扑运行工作，制作了 25 电平 MMC 工程样机。同时在 MMC 控制部分合理安排输入输出通道制作板卡式结构，实现主控制器硬件灵活配置，满足后期扩展的需要。1.2.3 新型 MMC 通用平台的通信方案根据图 2 中新型 MMC 通用平台的系统配置，在 MMC 控制系统中根
13、据系统任务的需要，采用层次华通信的方案，如图 4 所示，模块分类，串行通信，提升数据容量和可靠性。在图 4 中，根据通信时序和优先级别，对 MMC 控制系统按照层次化通信方案划分为模组控制、站点控制和站级控制三个层次，采用串行通信工作方式，提升信息传输的容量和可靠性。其中模组控制和站点控制之间采用光纤通信，站级控制和站点控制采用网线通信，融合了集中控制与分布式控制的优点。1.3 运行分析新型 MMC 通用平台的总设计的子模块的输出电压为桥臂电压的 1/N，N 为子模块的数目，输出电流为桥臂电流。如图 5 所示。图 5 中的子模块的输出包含直流和交流分量。子模块 A 相电压和电流的计算公式为：在
14、整流和逆变时的电压、电流波形如图 6 所示。可以看出子模块电流均包含直流分量和交流分量，由此导致子模块电容存在基频和二倍频电压波动，其电容电压波动大小与实际应用是一致的，说明新型 MMC 通用平台的运行符合实际应用中直流输电的需要。图 6 新型 MMC 通用平台子整流和逆变时电压、电流波形2 新型 MMC 通用平台的设计实践效果2.1 解决实践难题新型 MMC 通用平台利用全桥子模块及其扩展拓扑集成实现 25 电平柔性直流输电，满足平台通用性和可扩展的需求，采用串行通信的 MMC 层次化控制方案，提升了数据传输的容量和速度，新型 MMC 通用平台解决了柔性直流输电的高压大功率电网中，电压等级高
15、，子模块数目多，测试工作量大的技术难题，把电力电子及电力传动技术和电力传输的应用实践相结合开展实践设计，不仅推动科研人员的工作实践能力的提高，而且达到了很好的技术实践效果。2.2 自制设备提供研究平台设计的新型 MMC 通用平台把电力电子及电力传动技术和通信、电子信息方面的专业知识结合起来，为高压直流输电的理论联系实践提供了良好的研究平台。新型的 MMC 通用平臺，使得进一步研究和探索高压直流输电技术成为可能，尤其在客户化应用中，针对不同发电环境的复杂情况做灵活配置，解决工业应用的实际问题提供了良好的测试平台和应用前景，而且为高年级本科生和研究生成为高压直流输电技术的专业科研力量，提供了人才培
16、养平台。3 结语大学创新教学旨在实现“让每一位学生发自内心地学习”，实践法是促进或检验学生知识掌握与应用情况的重要方法。11自研自制新型 MMC 通用平台的设计，利用全桥子模块及其扩展拓扑集成实现 25 电平柔性直流输电，满足平台通用性和可扩展的需求，提升了数据传输的容量和速度，在主控制器硬件设计方面实现了控制器资源的灵活配置，实践表明，设计新型 MMC 通用平台实现了工程应用和专业知识的有效结合，不但提高了高年级本科生和研究生的科研能力，而且激发学生的学习兴趣、对新技术开展实践探索。既可以调动专业探索的科研兴趣，又能够把研究成果应用于工程实践，实现科研成果的实际转化，具有重大的社会实践意义。
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18、013.28（2）：255-263.6 薛英林，徐政.适用于架空线路输电的新型双极 MMCHVDC 拓扑J.高电压技术，2013.39（2）：481-487.7 文俊，殷威扬，温家良，等.高压直流输电系统换流器技术综述J.南方电网技术，2015.9（2）：16-24.8 魏晓云，卢颖.电网不平衡时电压源换流器高压直流输电统一控制策略J.中国电机工程学报，2012.32（34）：50-57，S8.9 韦延方，卫志农，孙国强，等.适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器最新研究进展J.高电压技术，2012.38（5）：1243-1252.10 孔明，汤广福，贺之渊.子模块混合型 MMC-HVDC 直流故障穿越控制策略J.中国电机工程学报，2014.34（30）：5343-5351.11 解德渤.大学创新教学的实践误区及反思J.中国大学教学，2018.8：70-74.