近年来,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)因具有模块化设计、输出波形质量好、便于四象限运行、器件开关频率低、故障处理能力强等优点,在柔性直流输电、中高压电力传动及电能质量调节领域得到广泛的应用。
模块化多电平变流器通过多个半桥子模块级联来获得较高的电压等级,而现有的柔性直流输电系统中,模块化多电平变流器每相桥臂子模块数量庞大,如2010年正式投入运营的Trans Bay Cable Project柔性直流输电工程和2014年7月投入运营的舟山柔性直流输电工程中每个换流站的MMC子模块达到200个以上。
数目如此多的子模块使得传统的PWM调制策略不再适用于子模块数多的MMC的应用,因此,以上提到的直流输电工程中MMC的调制方式均采用了最近电平逼近控制(Nearest Level Control, NLC)算法。而在最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation, NLM)下,无论是传统均压策略还是各类优化均压策略,都需要给每个子模块配置电压传感器来获得各子模块的电容电压。随着子模块个数的增加,这种子模块电容电压检测方法不仅增加了系统的成本,还增加了数据采集和通信系统的负担。
为了减少子模块电压传感器的使用,国内外学者主要从调制策略和观测器的角度进行研究。
综上所述,针对MMC子模块电容电压少传感器检测中出现子模块过电压的问题,本文在桥臂子模块分组检测的基础上,对子模块过电压产生的原因进行分析,并提出子模块过电压防护策略。在负载接入前对子模块进行预检测,以快速得到每个子模块电容电压真实值,防止子模块过充电;在负载接入时,设置子模块阈值电压,当测量得到子模块电容电压平均值超过阈值电压时,采用基于直接可测情况的子模块电容电压测量方法获得该组中每个子模块电容电压真实值,进而对子模块电压正确排序,避免过电压的发生。
图11 单相九电平MMC实验平台
MMC分组检测中,由于子模块电容电压不能实时被检测到,从而使得桥臂子模块可能出现过充电造成子模块出现过电压的问题,本文针对此问题,提出了一种基于强制投入的子模块过电压防护策略。
该策略在负载接入运行前对桥臂子模块电容电压进行预检测以消除初始阶段子模块出现的过电压;在负载接入运行中对具有过电压趋势的子模块进行检测以获得该子模块电容电压真实值,使其参与正常排序,限制其电容电压的进一步攀升,从而防止过电压的出现。本文所提出的策略在不影响MMC稳定运行的前提下,能够有效防止子模块过电压的发生。
仿真和实验结果表明该方法有效、可行。该子模块过电压防护策略较为简单,实用性较强,对柔性直流输电中MMC少传感器的应用和推广具有一定的意义。