基于模块化多电平变流器的统一潮流控制器在柔性交流输电系统中的应用

工程科学与技术，国际期刊23（2020）299完整文章基于三相模块化多电平变流器的统一潮流控制器Ahmet Mete VuralSahara，Emile Njodzefon Wirsiy电气和电子工程系，加济安泰普大学，27310S，ehitkamil，加济安泰普，土耳其阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2018年12月17日修订2019年5月16日接受在线预订2019年保留字：灵活交流输电系统（FACTS）统一潮流控制器（UPFC）模块化多电平变流器（MMC）载波相移正弦脉宽调制（CPS-SPWM）半桥（HB）子模块A B S T R A C T柔性交流输电系统（FACTS）在加入电力系统时为它们提供了灵活性，使它们能够满足不断增长的电力需求。FACTS装置利用电力电子技术来控制系统的某些参数，而统一潮流控制器（UPFC）与其他FACTS装置相比具有适应性强、鲁棒性强的特点。介绍了一种基于MMC的统一潮流控制器的详细模型被称为载波相移正弦脉宽调制（CPS-SPWM）的高频开关技术也用于平衡半桥（HB）转换器子模块的电容器电压模型和平衡策略，然后通过案例研究在仿真环境中进行评估©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍由于人口的增长和电力系统输电侧存在的问题，对电能的需求不断增加，FACTS可以解决这些问题FACTS装置基于高压输电端的大功率电子应用，与建立新电厂或扩大现有电厂相比，FACTS装置提供了一种可行的解决方案[1]。与其他FACTS设备相比，统一潮流控制器（UPFC）具有适应性和鲁棒性，因为它可以同时或选择性地调节输电线路的电压，阻抗和相角[2]。UPFC有几种操作模式，从其中一种模式切换到另统一潮流控制器（UPFC）设计的关键是其电压源换流器（VSC）的设计VSC已经从几个输出电压电平发展MMC是在2001年由一位前西门子员工R. Marquardt和西门子2010年跨湾电缆（400 MW，200 KV）是第一个MMC-HVDC项目[4]。MMC显示出优于其他VSC类型的一些优势，如冗余、可扩展性和较低的半导体损耗。*通讯作者。电子邮件地址：E.M. gaziantep.edu.tr（A.M. Vural）。由Karabuk大学负责进行同行审查VSC-UPFC的输出电压不是完美的正弦曲线，也不稳定，如图所示。 1[8]。有很多关于将MMC用于HVDC系统的文献[5-7]，同时在FACTS设备中使用MMC的范围并不普遍，这自2001年引入MMC以来，已经提出了几种模型，如平均模型[10]，详细模型和等效电路模型[10，11]参考文献[2]提出了一种由MMC组成的UPFC的新结构，用作VSC的替代。他们将电压平衡方案与相移脉宽调制（PS-PWM）作为调制技术相结合，并在仿真环境中研究了系统参考文献[8]提出了一种经济、可靠、安全的由金属基复合材料构成的UPFC系统拓扑结构，可以有效地控制故障电流。他们使用最近电平调制（NLM）技术，因为它适合非常大的目前关于基于MMC的 UPFC的论文很少，并且很少有人提出了一种附加的电压平衡电路来控制子模块电容电压的波动。这种控制策略增加了已经很复杂的系统的规模。本文采用CPS-SPWM调制技术来减小电容电压的波动。针对UPFC的应用，设计了一个详细的MMC模型，并在仿真环境中验证了其行为。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.05.0092215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch300A.M. Vural，E.N.Wirsiy/Engineering Science and Technology，an International Journal 23（2020）299þþðþ Þ¼图1.一、VSC-UPFC。2. 系统描述和数学模型图图2示出了基于MMC的UPFC传输系统。并联VSC和由DC电容器链接的串联VSC形成UPFC。该链路为两个设备之间的有功功率传输提供了一条路径。并联变换器通常被称为同步静态补偿器（STATCOM）和串联静态同步补偿器（SSSC），用于串联FACTS设备根据其连接到传输线的方式进行划分，即串联或并联[1]。统一潮流控制器（UPFC）具有并联变流器电流、串联变流器注入电压和串联变流器相角3个自由度，是目前适应性最强、鲁棒性最强的FACTS装置。STATCOM能够通过传输系统的分流电流来控制DC链路电压、其所附接的母线的电压和无功功率。SSSC具有控制有功和无功潮流的能力，通过引入其幅度和相位可以容易地调节的串联电压而成为可能。MMC被用作VSC类型，因为它们与其他VSC类型相比具有的变流器UPFC是由恒定的输入电压转变为输出端的交流平衡电压而充电的[3]。MMC包括6个臂; 3个上臂和3个下臂。下臂和上臂一起构成一个相。每个臂包含几个级联的子模块，一个电阻器和一个电感器，如图所示。3.第三章。全桥（FB）和半桥（HB）子模块拓扑结构是可用的，但HB拓扑结构已在这项工作中使用，因为它的简单性，较低的成本和较低的半导体损耗相比，FB型。 图图4示出了HB拓扑在仿真环境中的实现，该仿真环境具有2个开关器件、2个反并联二极管和一个存储电容器。两个绝缘栅双极晶体管（IGBT）是互补开关，当一个导通时，另一个必须关断。插入和旁路是子模块可以存在的两种状态，当g1导通和g2关断时，子模块被插入，输出电压与存储电容两端的电压相同。否则，它被旁路，输出电压为零。调制技术负责开关IGBT。这种切换必须以协调的方式进行，以便减少电容器电压的波动CPS-SPWM方案是一种高开关频率方法，指的是将一组载波与正弦参考进行比较，以便获得用于开关的门脉冲，如图1和图2所示。5和6.输出电压的电平数取决于所使用的调制策略。存在两种策略，n1和2n 1。前者确保在任何时候插入的子模块的数量（n）是恒定的并且等于n，从而减少电容器电压的振荡[12]。我们使用了10个载波，其相位为h10个子模块3 6A^A每个转换器臂产生11 N1级输出。Vu1-该方案的缺点在于，由于其涉及高频切换，因此切换损耗总是很高，因此适合于具有小子模块数的VSC另一图二. 基于MMC的UPFC传输系统。A.M. Vural，E.N.Wirsiy/Engineering Science and Technology，an International Journal 23（2020）299301Cð Þn2图三. 具有n = 4个子模块的MMC模型。见图4。 HB子模块实现。MMC的问题是需要抑制在转换器臂环流起源-E ¼2nC V2ð4Þ不平衡的臂能量以及不相等的电容器电压产生[2]。它们只能在转换器内部看到，因为它们对输出没有影响，因为它们的总和始终等于零。本文通过增加臂电感值来解决这个问题。基本MMC方程为其中，V c是电容器电压，m t是参考信号，调制，C是电容，E是MMC子模块的能量，调制指数由m表示，VAC代表输出电压。3. 控制器设计Vc 1/4V直流ð1Þ使用dqo参考系统分别为并联和串联转换器进行控制器设计整体控制直径mtxt 2VAC¼VdcωmΩt图7示出了MMC-UPFC系统的控制图，控制分为两个部分：并联转换器和串联转换器控制。V1和V2分别是总线1和2处的总线电压。由串联转换器注入的电压由Vinj表示。302A.M. Vural，E.N.Wirsiy/Engineering Science and Technology，an International Journal 23（2020）299PDQDT ¼-xshIQ 我的天 阿克斯岛eQ-vQ10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-10.140.1450.15时间（秒）0.1550.16图五、CPS-SPWM调制20-220-两个0-220-220-220-220-220-20.1450.150.1550.160.165时间（秒）0.170.1750.18见图6。 上下臂子模块的门控信号。3.1. 并联转换器控制，其中，esh，esh是并联转换器DQvu1、v u1是并联VSC施加到母线1上的电压分量，Q D通过调节并联VSC电压的幅值和相位，可以改变流经并联变流器的并联电流。并联变换器能够控制母线电压、无功功率和直流链路电容，rsh、xsh是Transformer的电阻和漏抗。并联电流的无功和实部由下式给出：我是因为。hu1-i shsin.hu17电压互感器d轴负责直流电容而q轴负责无功功率和总线电压控制和无功功率。分流器的方程为ish<$ishsin。hu1 hu1 hu shicos. hu1目前，[13]。迪什Drshxb shshxb哪里公司简介 -xoi Q.esh-vu15“vu1#¼vu1dt xshshxshD D胡乌坦-1DQð9Þ迪Q电压（V）VL4VL1VL3Vu4VL2Vu2Vu3Vu1ð6ÞA.M. Vural，E.N.Wirsiy/Engineering Science and Technology，an International Journal 23（2020）299303rshxbsh什湾shu1然后，分流电流控制的d和q分量为在使用它们之前通过dqo发送到abc304A.M. Vural，E.N.Wirsiy/Engineering Science and Technology，an International Journal 23（2020）299见图7。 整体MMC-UPFC控制块。作为调制技术中的参考信号，为并联转换器产生脉冲（见图11）。8）。3.2. 串联变流器控制串联型电压源控制器通过在输电线路上串联一个可变幅值和相位的电压源，具有独立调节有功功率和无功功率的能力。参考旋转坐标系有功功率和无功功率控制策略如图9所示。q轴电压分量控制有功功率，而d轴电压分量负责无功功率。Vd是总线2处的电压的d分量。然后将PI控制器的输出变换到旋转abc坐标系中在被用作CPS-SPWM调制技术的参考波之前。4. 仿真结果表1中列出了主要MMC和UPFC系统参数及其各自的值。UPFC的研究在仿真环境中使用的案例研究。首先，设计并测试了背靠背（B2B）MMC，以确保其正常工作。其次，154KV输电线路建模，然后通过串联和并联变压器将B2B MMC连接到它。最后，仿真结果给出了案例研究，以验证MMC-UPFC系统的特性。绘制了MMC的稳态波形，包括上下臂的环流图 10- 12V1V1见图8。 并联控制器仿真模型。A.M. Vural，E.N.Wirsiy/Engineering Science and Technology，an International Journal 23（2020）299305---1/4见图9。 串级控制器仿真模型。表1主要模拟参数。参数值直流母线电压（Vdc）60 KVCapacitance（C）2 mF子模块电容电压6 KV并联Transformer 154 KV/30 KV系列Transformer 30 KV/30 KV臂电感（L）1 mH送端电压（Vs）154 KV见图11。直流链路电流和电压。功率固定在1： 5e 7Var。图图13-16表示系统对有功功率变化的反应。无功功率保持恒定在指定值。波形中的振荡是由于转换器引入的谐波。4.2.壳体24.1. 情况1见图10。 B2B MMC电压和电流。对于本案例研究，有功功率保持恒定在1： 5e 7W，无功功率（Q）在时间t0：25s从1： 5e 7Var变为1： 5e 7Var：图17说明了无功功率流对这种变化的反应。子模块电容器的实际功率（P）和电压也示于图1和图2中。 18和19岁，分别此时，串联VSC控制被激活。有功功率在时间t1/40：25s从-1： 5 e7 W变为1： 5e 7W，而无功功率在时间t1/4 0： 25 s从-1：5e 7 W变为1：5 e7从上述案例研究中可以清楚地看出，基于MMC的 UPFC能够控制在电力系统中流动的有功功率和无功306A.M. Vural，E.N.Wirsiy/Engineering Science and Technology，an International Journal 23（2020）299(a)（b）第（1）款图12个。在一相的上臂（a）和下臂（b）中流动的环流图13岁P对Pref中阶跃变化的响应图15. 母线2处注入电压。图十四岁Q响应Pref中的阶跃变化图十六岁案例1的子模块电容器电压A.M. Vural，E.N.Wirsiy/Engineering Science and Technology，an International Journal 23（2020）299307图17. Q响应于Qref中的阶跃变化。图十八岁P响应于Qref中的阶跃变化图19. 案例2的子模块电容器电压。线在情况1中，当Pref在时间t = 0.25 s改变时，P也改变，而Q保持恒定。当Qref改变时，情况相反，在这两种情况下，我们可以看到电容器电压子模块的电压约等于6KV。5. 结论本文研究了基于MMC的UPFC的运行情况，并对控制策略进行了测试，以确定UPFC在保持送端或并联侧以及直流侧电压恒定的情况下，能够独立调节串联端的无功功率和有功功率基于MMC的 UPFC产生接近正弦的交流输出电压，改善了交流输出电压的质量MMCAC输出电压由11个电平组成，因为我们每个转换器臂使用10个子模块。同时也验证了CPS-SPWM调制技术在缩小子模块电容电压不均衡方面的能力引用[1] 纳拉因湾陈文，柔性交流输电系统的研究与应用，电力工程出版社，2000年。[2] 顾颖卓，姜道卓，连晓让，模块化多电平变流器在统一潮流控制器中的应用，数字制造与自动化（ICDMA），2012年第三届国际电力电子技术大会。IEEE，2012年。[3] A. Mete Vural，Mehmet Tümay，统一潮流控制器的数学建模和分析：潮流研究中两种方法的比较和UPFC位置的影响，Int. J. 电力能源系统 29（8）（2007）617-629。[4] M. Hiller，S. Busse，A.H. Gheeth，模块化多电平转换器（M2C）中压驱动器：工作原理，西门子，Tech。代表： 2016年。[5] Minyuan Guan，Xu. Zheng，不平衡电网条件下模块化多电平换流器基HVDC系统的建模与控制，IEEE Trans. Power Electron.27（12）（2012）4858-4867.[6] A. Beddard ， M. Barnes ， MMC-HVDC 系 统 的 建 模 - 概 述 ， Energy Proc.80（2015）201-212。[7] CarrenoAlvaro，Marcelo Perez，Mariusz Malinowski，MMC-HVDC在电网集成应用中的建模，电力电子会议（SPEC），2017IEEE Southern。IEEE，2017.[8] Y. Zhou等人，一种基于MMC的具有故障电流限制的统一潮流控制器的改进拓扑，2016。 六比六[9] Peng Li等人，MMC-UPFC在苏州500 kV电网中的应用。Eng. 2017（13）（2017）2514-2518。[10] Jaime Peralta等人，详细和平均模型的401级MMC-HVDC系统，IEEE Trans. 动力输送 27（3）（2012）1501。[11] Udana N.阿尼鲁达？格纳纳拉特纳高乐，罗希塔P. Jayasinghe，基于电磁暂态仿真程序的模块化多电平高压直流换流器（MMC）的有效建模，IEEE Trans. PowerDeliv. 26（1）（2011）316- 324。[12] M. Moranchel，F.韦尔塔岛Sanz，E. Rodríguez，F.J.，模块化多电平转换器的调制技术比较，能源9（12）（2016）1091。[13] K.R.张文，电力系统潮流控制器的设计与仿真，电力系统工程学报，2001 。动力输送 13（4）（1998）1348-1354。[14] Hesam Rahbarimagham等人，三相电压源换流器有功和无功功率的解耦控制。Comput. Sci. 23（4）（2015）1025-1039。