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国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志

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基于多电平变流器和双电平变流器的VSC高压直流输电的THD分析

总裁Sahu1Vasant Acharya2
  1. 印度博帕尔技术官僚理工学院电气与电子系博士生
  2. 印度博帕尔TIT学院电气与电子系助理教授
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摘要

如今，海上风力发电场正在兴起，有望成为替代能源。它要求高压直流输电具有紧凑可靠的变换器技术和大功率容量。多电平变换器拓扑结构是一种新型、可靠的高压直流变换器。为了获得站点的紧凑性，应该尽量减少对过滤器的需求。多层拓扑可以解决这些问题。本文介绍了用多级变流器连接两个交流系统的VSC- HVDC系统的建模研究。本文采用多电平变换器拓扑和双电平变换器拓扑对直流直流输电系统进行了比较分析，计算了总功率。本文简要介绍了多级vdc - hvdc系统及其控制系统。

关键字
MATLAB/ Simulink，多级变换器，THD，电压源变换器，VSC- HVDC。

介绍
高压直流(HVDC)技术自1954年以来一直在执行，并且由于其与交流输电相比的优势，在现有输电系统中越来越重要。基于LCC的高压直流输电系统是一项成熟的技术，主要用于长距离大容量输电，但它有一定的限制，如所连接的交流网络要求相当强，以及变流器对无功功率的要求。随着电力电子技术的发展和PWM开关频率的提高，基于VSC的高压直流输电系统具有可控性强、易于接入极弱交流系统等优点。
基于电压源变换器(VSC)的高压直流输电系统是一种相对较新的中、低压输电技术，它可以接入弱电甚至无源交流网络，并根据系统运行情况提供或吸收无功功率。使用电压参数作为输入的变换器称为VSC。VSC的主要开关元件是大功率高频静态开关(GTO、IGBT或MOSFET)。以前用于电机驱动的高功率高频静态开关必须在任何需要的情况下打开和关闭，这使得它成为各种电力系统应用中非常有吸引力的技术。新的基于VSC的HVDC系统也称为¢€•HVDC LightA¢€–和一个¢€•HVDC PlusA¢€–的领先厂商,已经应用在一些场合,如海上风力发电场的连接或海上石油天然气钻井平台或太阳能农场到大陆传输网络和电源隔离远程加载。
基于电压源变换器的新型高压直流输电技术与传统的LCC高压直流输电技术相比具有一定的优势
多端子连接非常容易。
此外，它还可以选择控制其终端总线电压来代替无功功率;
如果使用合适的PWM技术，谐波滤波的成本可能会大大降低;
vdc - hvdc系统可以独立控制终端有功和无功潮流;
与传统的晶闸管直流系统相比，VSC-HVDC系统的建设和调试时间更短。
它在变换器中没有换向失败的机会。
它具有连接弱网络甚至死网络的能力。
另外，由于开关频率的增加，它的响应速度更快。
环境影响较小。
随着能源需求的增加，对可再生能源的依赖也在增加，由于可再生能源发电厂的实施，HVDC比以往任何时候都更加重要。海上风电场需要高压直流输电，它具有紧凑可靠的变换器技术，具有较大的功率容量。有许多不同的电压源变换器拓扑适合于基于VSC的高压直流输电系统的实施，但多电平变换器拓扑是一种新的和有前途的高压直流应用变换器，并且应该最小化对滤波器的需求，这样我们就可以获得紧凑性。多层拓扑可以解决这些问题。技术论文[16]中给出了几种多电平转换器拓扑结构。近年来，与普通的双电平逆变器相比，多电平变换器具有更少谐波和更低开关频率的可能性，在大功率应用中越来越受欢迎。

多级VSC高压直流系统
图1为多级vcs - hvdc系统框图。有不同选择的VSC拓扑适合于执行VSC- hvdc系统。每种拓扑结构彼此不同。主要的拓扑结构是二极管箝位或中点箝位(NPC)变换器、级联h桥(CHB)变换器和飞行电容器(FC)变换器[3]。
图像
VSC- HVDC换流站由变压器、交流滤波器、相电抗器、电压源、IGBT阀桥、变流器控制系统和直流电容器组成。每个IGBT都与一个反并联二极管相连。变换器是一组受控的固态开关，它们以预先确定的间隔周期性地将直流输入电压连接到输出端，以产生交流输出电压。开关阵列的固态开关可以根据在每个变换器相位模块的交流输出处产生的直流电压电平的数目而增加。随着电压电平数量的增加，交流正弦输出的近似越来越接近，但也增加了费用和电路的复杂性。
2级相位模块是最简单的开关配置，能够从直流电源以简单方波的形式产生交流输出。三相2电平变换器拓扑结构如图2左侧所示。二电平变换器的输出电压波形为方波，因此二电平变换器无法直接控制其输出电压的幅值，但通过应用PWM可以使其更容易。一种频率为1350hz的三角载波，是基频的27倍，用于正弦脉宽调制(SPWM)。
三相3电平变换器拓扑结构如图2右侧所示。中性点箝位(NPC)变换器是一种应用广泛的拓扑结构。转换器有三个直流端子连接到中心抽头直流电源。三电平中性点箝位电压源变换器由两个串联电容器组成，其中中心抽头用作中性点。NPCML转换器通常由直流母线上的(n-1)个电容器组成，其中n是输出电压的电平总数(正、负和零)。三电平变换器的每个相模块有四个串联的开关器件。上两个开关和下两个开关形成两对，称为相臂，每对的中点由箝位二极管箝位到中性点。额外的二极管连接到中心抽头直流电源，这是零参考电位。变换器的输出电压Vo可以为正、负或零。当两个上阀都被触发时，Vo的值为正，当两个下阀都被触发时，Vo的值为负。 Vo has zero output when the upper and lower middle valves, connecting the centre-tap of the dc supply are triggered [7]. If switching uses a fundamental frequency then the output obtained from the three-level converter is a quasi-square wave output. In NPCML Converter diodes limit the voltage stress on switching devices.
图像
图2显示了一个三相三电平二极管箝位变换器。A相的开关是Ta1、Ta2、Ta1’和Ta2’，B相和c相的开关也是如此。直流母线电压为Vdc，每个电容的电压为Vdc/2。两个电容器N的中间点为中性点。二极管箝位的原理是，通过二极管箝位，我们可以将直流电压扩展到所需的幅度，并且开关阀上的电压受到根据所需直流电平连接的二极管的传导时间的限制，这类多级转换器被称为二极管箝位或中性点箝位NPC[4]。
图像
表1显示了三电平NPCML变换器的输出电压电平和相应的开关状态。开关分为2对(Ta1, Ta1 ')和(Ta2, Ta2 ')。如果开关Ta1处于闭合状态，则互补开关Ta1 '必须处于断开状态。类似的情况也适用于Ta2和Ta2 '。在三电平NPCML转换器中，任意点都有两个开关打开，以选择所需的电平。A相的三电平变换器输出电压如下:
1.当输出电压Van=0时，开关Ta1断开，开关Ta2打开。
2.当输出电压Van =Vdc时，所有上层开关Ta1和Ta2都导通。
3.对于输出电压Van =- Vdc，所有下开关Ta1 '和Ta2 '都导通。
A相输出电压Van有三种状态:Vdc、0和- Vdc。采用MATLAB-SIMULINK对所选三电平DCMLI的门信号进行了开发。

控制技术
变频器的成功运行取决于一个功能良好的控制系统。图3显示了VSC控制系统[15]的概述。控制器1和控制器2具有相同的设计，它们之间没有通信。两个转换器都有两种控制模式:
有功和无功控制方式
直流电压和无功控制方式
有功功率(或直流电压)和无功功率分别由参数δ和调制指数m控制。锁相环(PLL)用于使控制器与线电压同步，并计算d-q变换的相位同步角Ӕ和系统频率。
图像
外环(有功、无功功率和电压环)计算变换器的参考电流矢量(Idq ref)。外环包含有功功率控制、无功功率控制和直流电压控制模块。无功功率控制模块将PI调节器与前馈控制相结合，以增加速度响应，交流电压控制覆盖模块将中断调节器并控制它以保持交流电压在稳态的安全范围之间。有功功率控制模块类似于无功功率控制模块。直流电压控制覆盖块将中断稳压器并控制它以保持直流电压在安全范围内，特别是在控制直流电压的站的交流系统受到扰动时。有功功率控制块被禁用，然后直流电压控制调节器块被启用。该模块使用PI稳压器，其输出用于参考电流矢量计算。
内电流环包含交流电流控制块，跟踪参考电流矢量(Idq ref)与前馈方案。采用变换器电流的比例积分反馈来减小稳态误差。该模块的输出是参考电压矢量。然后利用逆d-q变换和逆Clark变换产生用于PWM的三相参考电压调制信号。
阀侧变流器瞬时有功、无功功率可表示为[15]:
图像
图像
由上式可知，有功功率和无功功率分别与电流的d分量和q分量成正比。据此，有功功率(或直流电压)和无功功率(或交流母线电压)分别由电流分量ivd和ivq控制。对于每一个阶段，我们可以这样写:
图像
在不平衡运行时，电抗器上的电压降(R + jωL)的表达式为:
图像
其中，对于正序列X=p，对于负序列X=n。将式(4)变换为α-β帧，再变换为旋转的d-q帧:
图像
VSC的序电压由式(5)得到:
图像
采样周期k至k+1的平均电压由式(6)和(7)求得，从kTs到(k+1) Ts积分并除以Ts(其中Ts为采样时间)。
图像

系统配置
200兆瓦100千伏直流链路用于在两个交流系统(交流系统1和交流系统2)之间传输电力，这两个交流系统都是230千伏，2000毫伏，50赫兹的交流系统。图4为多级VSC高压直流系统仿真模型。由于理想开关器件IGBT适合于高频开关，因此对VSC变换器进行了建模。整流器(站I)和逆变器(站II)是多级/二电平中性点箝位电压源转换器，使用闭合IGBT/二极管。在我们的模型中，多电平变换器有三个电平。一号站和二号站通过一条75公里长的电缆和两个8 mH平滑反应堆相互连接。换流变压器(Yg/Δ)用于电压转换。绕组的排列可以阻挡三次谐波。由于相电抗器和变压器漏抗，VSC输出电压相对于交流系统是相的。并且还允许控制变流器的有功和无功输出功率。 The control system generates the three reference modulating signals that are the value of discrete 3-phase PWM Generator block of the Extras/Discrete Control Blocks library. The power system is discretized for a sample time 7.406e-6 s and the control system is discretized for a sample time 74.06e-6 s which is ten times of the carrier period. The converter uses Pulse Width Modulation (PWM) at 1350 Hz carrier frequency. In our case control modes for station I (rectifier side) and station II (inverter side) are P-Q mode and Ud-Q mode respectively.
图像

仿真结果
采用正弦波脉宽调制(SPWM)的VSC高压直流系统，借助⢠* MATLAB 7.5.0⢠-进行仿真。通过仿真观察了VSC高压直流系统的相电压THD和相电流THD随变流器电平从2电平增加到3电平的改善情况。观察到的数量如下:
1.相位电压波形。
2.两电平变换器1站和2站VSC高压直流系统的相电流和相电压波形。
3.三电平变换器1站和2站VSC高压直流系统相电流和相电压波形。
图像
图像

结论
本文采用多电平变换器和双电平变换器的拓扑结构对直流直流系统进行了仿真对比研究，计算了直流直流系统的电流和电压谐波。采用正弦脉宽调制(SPWM)实现了多电平和双电平变换器拓扑结构。仿真结果表明，多电平变换器拓扑结构产生的谐波较少。如表2所示，电压谐波和电流谐波分别降低58%和46%。这意味着当从两电平变换器拓扑移动到三电平变换器拓扑时，电压和电流THD降低。

参考文献
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