模块化多电平换流器(MMC)原理简介

MMC变流器原理介绍基本原理在电网中，有功功率从相位超前侧流向相位滞后侧，无功功率由电压幅值高侧流向幅值低侧！UIUCUS基本原理UUCUSUcUsULUCUS时,I为容性ItUUCUStUSUCULUCUS时，I为感性IULIUSUCULIUCUSn1Sn2Sn3Sn4SanE+－+－a2EnsausbuscusLcaiavSNCCpcc+－a1HBa1ECbnE+－b2HBb2EC+－b1HBb1EC+－bnHBCcnE+－c2HBc2EC+－c1HBc1EC+－cnHBCsLsLbvcvsRsRsRcbiccisaisbiscilcilbilaipccpcca2HBloaddiu1iSoiu2iS3iS4iS链式串联拓扑结构功率单元全桥拓扑结构全桥串联主回路拓扑结构1sin()mUUt每个H桥输出产生SPWM波，基波成分为：N级功率单元串联，最大输出电压：sin()amUNUt1Sn2Sn3Sn4SnanE+－C1Si2Si3Si4SiaiE+－C11S12S13S14Sa1E+－C全桥主回路拓扑结构urucuOtOtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量单极性PWM调制波形图，单极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断三角波移相载波原理MMC主回路拓扑结构什么是MMC?模块化多电平换流器（modular-multilevel-converter，MMC）的简称。siemens和中国电科院所投运的VSC-HVDC工程均采用此拓扑结构。现在泛指半桥-模块化-多电平-逆变器。模块1AU1模块1AU2模块1AU20模块1AL1模块1AL2模块1AL20三相10kV电网ABC模块1BU1模块1BU2模块1BU20模块1BL1模块1BL2模块1BL20模块1CU1模块1CU2模块1CU20模块1CL1模块1CL2模块1CL20LarmLarmLarmLarmLarmLarm模块2AU1模块2AU2模块2AU20模块2AL1模块2AL2模块2AL20abc模块2BU1模块2BU2模块2BU20模块2BL1模块2BL2模块2BL20模块2CU1模块2CU2模块2CU20模块2CL1模块2CL2模块2CL20换流器1换流器2LarmLarmLarmLarm三相10kV电网UdcMMC主回路拓扑结构MMC主回路拓扑结构1）所需开关器件耐压低，对器件的一致性要求低；2）电平数多，谐波大大降低；3）开关频率更低，开关损耗更小，系统利用率更高。4)很容易实现背靠背结构，能量方便双向流动。5）无需输出变压器，大大地减小了装置体积和损耗，并且节约了成本。6)模块化的结构使得容量拓展和冗余设计更为容易。技术特点siemens和中国电科院所投运的VSC-HVDC工程均采用此拓扑结构。子模块都是两端元件，通过两个开关单元T1和T2的作用，USM可以同时在两种电流方向的情况下进行电容电压UC与0之间的切换。一个子模块共有三种开关状态：（1）子模块中上IGBT导通，下IGBT关断，子模块端口电压等于子模块中电容电压，这样根据电流的方向来决定电容处于充电或是放电状态，此状态称投入状态。（2）子模块中上IGBT关断，下IGBT导通，子模块的端口电压等于0，子模块中电容被旁路，子模块电容电压保持稳定，此状态称切除状态。（3）子模块上下IGBT均关断，此状态称闭锁状态，一般在故障与启动时使用。MMC主回路拓扑结构模式T1T2iSMUSM状态1100UC投入投入2100UC30100切除切除401005000UC闭锁闭锁60000具体开关状态如表1所述。表1子模块的工作状态表1子模块的工作状态MMC主回路拓扑结构MMC主回路拓扑结构桥臂电感Larm设计桥臂电感作用1、交流连接电感2、抑制相间环流3、抑制短路电流2、主回路参数设计桥臂电感Larm设计由于交流侧的三相线电压有效值为10kV，即相电压有效值为5.77kV。由于直流电压为20kV，则MMC输出的交流相电压有效值最大为7.07kV。±2.5Mvar,零功率因数运行时，允许电感上的压降最大为此时，允许的网侧电感最大值为1.3kV/(2×50Hz×π×145A)=28.6mH。在初始引进技术资料中取值20mH。7.075.771.3kVkVkV2、主回路参数设计桥臂电感Larm设计电感量越大，电流波形越好控制、并网冲击越小、环流抑制越方便，但是电感压降越大、成本越高。因为需要更多的功率单元支撑才能发出同等无功功率。电感量越小，柜体体积和成本越低，但是系统稳定性变差。对控制算法提出更高要求。通过电科院动模试验，目前已经把桥臂电感量从20mH下降到5mH。实际上在系统仿真模型中，桥臂电感量可以达到3mH并且系统保持稳定。2、主回路参数设计功率模块直流电容模块电容参数的大小直接决定了电容电压的波动范围。在额定工况下，由于功率模块直流电容的额定电压为2000V，按照纹波系数=5%，则直流电容C应满足：因为本次试验方式受到时序限制，所以设置功率模块直流电容10mF。mFUICSMacPM6.42000%5100457842、主回路参数设计2、主回路参数设计-减小电容后波形2、主回路参数设计-增加电容后波形目前的控制方法，能够满足：1、在1-50Hz变频工况，功率单元按照30uf/A电容设置，装置保持稳定2、在50Hz定频工况，功率单元按照15uf/A电容设置，装置保持稳定如果控制方式能够达到在1-50Hz变频工况，功率单元按照10uf/A电容设置，装置保持稳定。那么就可以考虑功率单元按照薄膜电容代替电解电容。2、主回路参数设计4、MMC控制策略【总体控制功能设计】外环控制器：换流器1作为从站，换流器2作为主站，高压直流电压（额定极间电压20kV）由换流器1从站负责控制，两站之间的有功功率可以反转，两站各自的无功功率控制相互独立。换流器1为直流电压环+无功功率给定；换流器2为有功功率给定+无功功率给定；5、MMC功率模块均压控制每个MMC换流器的功率模块电压的分别进行均衡控制，6个桥臂相互之间没有影响。在一个控制周期内，则根据桥臂电流的方向确定此桥臂功率模块的投入/切除状态：（a）若桥臂电流为投入的模块电容充电，则功率模块按照电容电压从低到高的顺序排列，最低的N个模块在该控制周期内一直处于投入状态。（b）若桥臂电流为投入的模块电容放电，则功率模块按照电容电压从高到低的顺序排列，最高的N个模块在该控制周期内一直处于投入状态。柔性直流输电3、用途介绍#1#2R=00.0385[H]110KV侧短路容1000MVA等效电感0.03853[MVAR]#1#2R=00.0385[H]rectifye1le1re2rinvertere1le2le1rDC110[MW]A端电网B端电网Idc四象限高压变频器，带绕线异步电机3、用途介绍VA#1#2R=00.0385[H]3[MVAR]rectifye1le1re2rinvertere1le2le1rDC1STLIMWIabcRrotor+Rrotor+Rrotor+0.00TloadIdc四象限高压变频器，带绕线异步电机3、用途介绍25为什么要变频？——异步电动机的工作特性及变频调速电机调速及矢量控制原理26二、交流调速系统的分类交流电动机异步电动机同步电动机励磁同步电动机永磁同步电动机无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转速有严格比例关系”的条件，所以也把它归入同步电动机交流电动机的定子绕组通入交流电(或周期脉冲电流)后，其定子磁动势是一个旋转(或步进旋转)的磁动势，当电机转子的转速与定子电流的频率有严格比例关系的电动机称同步电动机，无严格比例关系的电动机称异步电动机。271．异步电动机的电路等效原理图励磁电阻励磁电抗，转子电阻，定子电阻：转子漏抗，漏抗，：mmrxrrxx2121定子28一、固有机械特性1．异步电动机的机械特性)1(60)1(10spfsnn异步电动机转速22cosICTTi转矩物理表达式22122112211122211/2//xxsrrfsrpUmsrImPTem转矩的参数表达式29很小2cos大很多比转子电阻转子漏抗2222rLxo222290/接近rLarctg起动时，转子中的电势、电流的频率等于或接近于电源频率12ff很大2I并不大22cosI电流较大时，定子漏抗上的压降增大减小感应电势1E减小磁通起动转矩不大22cosICTTi30stTemTs10曲线)(sfT异步电动机的机械特性表达式曲线sfT有曲线段和直线段组成，以最大转矩为界。mT31二、起动时应减小起动电流，增大起动转矩降低起动时转子回路中的与的比值2x2r2cos提高变频起动，在较低的频率下起动电动机，使起动时的减小2x转子回路串入电阻，增加2r1、绕线式异步电机32二、起动时应减小起动电流，增大起动转矩大容量绕线电机软启动装置——例如水阻启动、干阻启动等，原理都是在电机转子回路串入电阻，增加启动转矩。业内以追日、万洲、大力等为龙头的襄樊软启动企业，占据全国大部分的市场份额。1、绕线式异步电机332、鼠笼型异步电机在不影响“能起动”的前提下，尽可能减小起动电流，以减小起动电流对电网的冲击I.降压起动（起动电流减小，起动转矩随电压平方减小）1自耦变压器降压起动转换起动Y23定子回路串电抗器起动4用晶闸管构成的交流调压器降压起动342、鼠笼型异步电机II.某些特种电机，利用“挤流效应”设计深槽转子电机，或双鼠笼转子电机。原理都是提高起动时的转子电阻，增加启动转矩，达到降低启动电流的目的。但是这些方式会增加有功功率损耗。35异步电动机变频调电压与频率的协调控制定子每相电动势的有效值:111114.44NmEfNkU———定子每相绕组的有效串联匝数11NNk———每极气隙磁通量m电机调速运行时应保持气隙磁通恒定：磁通太强---电机励磁电流增大，功率因数降低，铁耗增大。磁通太弱---电机铁芯不能充分利用，电磁转矩矩下降。为了保持磁通为常数，调频时应同时调压，使U/F=C,变频调速系统常被称为变压变频（VVVF）调速系统(Variablevoltage,variablefrequnecy)3异步电动机的调速)s(pf)s(nn160110变频调速MMC目前的技术能力能够满足：在1-50Hz变频工况，功率单元按照30uf/A电容设置，装置保持稳定。这也是电解电容纹波承受能力。如果控制方式能够达到在1-50Hz变频工况，功率单元按照10uf/A电容设置，装置保持稳定。那么就可以考虑功率单元按照薄膜电容代替电解电容。直流电容稳定也是MMC变频器主要难点之一。37谢谢大家!