基于MMC的柔性直流输电换流阀型式试验方案_侯婷
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第 35 卷第 12期 2014 年 12月
电力建设
理论研究
基于 MMC 的柔性直流输电换流阀 型式试验方案
侯婷1 ，饶宏1 ，许树楷1 ，黎小林1 ，李岩1 ，易荣2 ，杨晓平3
（ 1． 南方电网科学研究院，广州市 510080； 2． 荣信电力电子股份有限公司，辽宁省鞍山市 114051； 3． 西安西电电力系统有限公司，西安市 710016）
Valve Type Test Scheme for Flexible DC Transmission System Based on MMC
HOU Ting1 ，ＲAO Hong1 ，XU Shukai1 ，LI Xiaolin1 ， LI Yan1 ，YI Ｒong2 ，YANG Xiaoping3
同样地，桥臂电流也是由直流分量和交流分量叠 加而成的复合变量，如图 3 所示，iq 为下桥臂电流，其 中直流 分 量 iq_dc 为 直 流 极 线 电 流 的 1 /3，交 流 分 量 iq_ac为交流输出电流的 1 /2。
2 南澳柔性直流输电工程基本参数
图 3 MMC 桥臂电流 Fig. 3 Bridge-arm current of MMC
中图分类号： TM 72
文献标志码： A
文章编号： 1000 － 7229（ 2014） 12 － 0061 － 06
DOI： 10. 3969 / j． issn. 1000 － 7229. 2014. 12. 010［HT］
0引言
柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、可控 器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术，是 解决风力、太阳能等可再生能源发电并网运行等问题 的有效途径之一［1-7］。柔性直流输电换流阀是柔性直 流输电系统中负责实现电能在交、直流之间转换的核 心装 备，其 对 温 度、电 压、电 流 及 其 变 化 率 非 常 敏 感［8］。为了保 证 柔 性 直 流 输 电 工 程 的 可 靠 运 行，在
试验要求： （ 1） 功率器件相关元件达到最高稳态结温的条 件下，使试验对象运行到热平衡；
http： / / www ． cepc． com． cn 63
理论研究
wenku.baidu.com电力建设
2014 年 12 月
（ 2） 每个功率模块的直流电压为额定电压的 1. 1 倍； 在以上条件下模拟直通短路电流。控制保护电路 开始检测过电流，在电流值小于最大安全关断电流极 限值时关断功率器件来限制过电流。南澳柔性直流 输电工程试验按上述要求开展。 4. 1. 3 最大电流连续运行能力试验
表 2 南澳柔性直流输电工程最小直流电压试验参数 Table 2 Minimum DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project
图 5 单桥臂单元的电气连接图 Fig. 5 Electrical connection of bridge-arm unit
由于换流阀的电子电路从功率模块直流电容取 能，因此该试验用于验证从直流电容取能的板卡电子 设备性能，试验电压是能保证换流阀电子电路正常工 作的最小直流电压。
换流阀解锁前会先经历一个充电过程，要求解锁 前电子电路应能正常工作，因此，最小直流电压试验 必须考虑闭锁状态下的充电。南澳柔性直流输电工 程换流阀解锁前，当从交流侧充电时，直流电压可充 到额定直流电压的 70% ，当从直流侧充电时，直流电 压可充到额定直流电压的 35% 。因此，每个功率模 块解锁前的最小充电电压为额定直流电压的 35% 。 同时，由于解锁前充电不可控，具有一定的不均匀性， 在确定最小直流电压时除了考虑一定的安全系数外， 还应考虑一定的不均匀系数。根据 IEC62501 的规 定［14］，试验持续时间不少于 10 min。南澳柔性直流 输电工程的具体试验参数如表 2 所示。
理论研究
3 换流阀塔结构
目前常用的阀塔结构主要有 2 类，如图 4 所示。 A 类阀塔每个桥臂由多个阀塔串连组成，B 类是每个 桥臂由一个连体大阀塔组成，接线方式也有所不同， 具体如图 5 所示。
图 4 桥臂单元布置示意图 Fig. 4 Layout of bridge-arm unit
验得出不均匀系数。但对于 B 类阀塔，试验对象必 须为一个完整的大阀塔。
对于 A 类阀塔，阀段之间的电压分配是正常工 作的一个完整桥臂的电压分配的典型值。在开展绝 缘耐压试验 时，可 选 择 部 分 相 连 的 阀 塔 作 为 试 验 对 象，但应考虑电压分布的不均匀性，可通过计算或试
4. 1. 2 功率器件过电流关断试验 试验的主要目的是在发生特定的短路故障或误
触发下关断时电流和电压应力作用下，检查功率器件 及其相关电路的设计是否合适。
基金 项 目： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 项 目 （ 863 计 划 ） （ 2011AA05A102） 。
投入运行之前必须通过一系列试验来考察换流阀的 安全可靠性，这 就 需 要 制 定 一 套 科 学 全 面 的 试 验 方 案。目前对于可控电压源型换流阀试验的相关国际 标准仅有 IEC62501 － 2009 （ Voltage sourced converter （ VSC） valves for high-voltage direct current （ HVDC） power transmission—Electrical testing） ，但并不是专门 针 对 模 块 化 多 电 平 换 流 阀 （ modular multilevel converter，MMC） 的 标 准，部 分 条 款 并 不 完 全 适 用。 我国对于可控电压源型换流阀试验的相关国标尚未 颁布，国内对柔性直流输电基于 MMC 拓扑的换流阀 试验的研究还处于起步阶段。本文以世界第 1 个多 端柔性直流输电工程———南澳多端柔性直流输电工
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理论研究
电力建设
程为例，根据柔性直流换流阀和工程特点，研究并制 定详细全面的柔性直流输电模块化多电平换流阀的 型式试验方案。
1 换流器拓扑结构及工作原理
模块化多电平换流阀是一种较新的拓扑结构，换 流阀由 6 个桥臂组成，如图 1 所示。每个桥臂由 N 个 功率模块顺序级联构成，上、下桥臂间分别串联 1 个 电抗器（ 其电感为 Ls） ，同相上、下 2 个桥臂构成 1 个 相单元［9-11］。图 1 中 Udc 为直流电压，Usa 、Usb 、Usc 分 别为交流系统的三相电压，ia p、ibp、icp分别为三相上桥 臂电流，iaq 、ibq 、icq 分别为三相下桥臂电流。
目前一期在南澳岛上建设 2 个送端换流站（ 金牛站和 青澳站） ，在澄海区塑城站近区建设 1 个受端换流站 （ 塑城站） ，工程具体参数如表 1 所示。
表 1 南澳柔性直流输电工程基本参数 Table 1 Basic parameters of Nan'ao flexible DC
transmission project
4 型式试验方案
考核换流阀应从运行和绝缘 2 方面考核阀的设 计，因此型 式 试 验 可 以 分 为 运 行 试 验 和 绝 缘 试 验 两 大类［12］。 4. 1 运行试验
运行试验的目的是检验阀及相关电路，在运行状 态中最严重的重复作用条件下通态、开通和关断状态 时，对于电流、电压和温度的作用是否合适，同时证明 阀电子电路 和 阀 主 回 路 之 间 相 互 作 用 的 正 确 性［13］。 具体试验项目及要求如下。 4. 1. 1 最小直流电压试验
2014 年 12 月
图 2 MMC 交直流输出电压 Fig. 2 AC / DC output voltage of MMC
图 1 MMC 换流阀拓扑 Fig. 1 Topological structure of MMC
M M C 换流阀 单 元 采 用 的 是 半 桥，如 果 直 流 电 容电压已经被控制为 U d，M M C 的每个换流单元输 出将具有 0 和 Ud 这 2 种状态。如果每个桥臂有 N 个换流 单 元，则 桥 臂 输 出 电 压 的 状 态 将 在 0，U d， 2U d，… ，NU d之间变化，即具有 N + 1 个电平状态。 换流阀交直流输出电压如图 2 所示，U p、U q 分别为 上、下桥臂 交 流 输 出 电 压，U c 为 M M C 换 流 阀 交 流 输出电压。
（ 1． Electric Pow er Ｒesearch Institute，CSG，Guangzhou 510080，China； 2． Ｒongxin Pow er Electronic Co． ，Ltd． ，Anshan 114051，Liaoning Province，China；
3． Xi'an Xidian Pow er System Co． ，Ltd． ，Xi'an 710016，China） ABSTＲACT： In order to ensure the reliable operation of flexible DC transmission system，the safety and reliability converter valve should be completely checked by type test before operation． It demands a scientific and comprehensive type test scheme to verify and check the correctness of converter valve design． According to the structure and w orking principle of modular multilevel converter （ M M C ） and relevant standards， w ith taking the Nan'ao multi-terminal HVDC-flexible transmission project as an example，the type test scheme of M M C w as proposed，w hich could comprehensively verify the design correctness of converter valve and relevant circuit based on the topological structure of M M C． KEYWOＲDS： modular multilevel converter （ M M C） ； type test scheme； flexible DC transmission
摘 要： 为了保证柔性直流输电工程的可靠运行，在投入运行之前必须通过一系列试验来考察换流阀的安全可靠性，这就 需要制定一套科学全面的型式试验方案来验证考核换流阀设计的正确性。针对模块化多电平换流阀（ modular multilevel converter，MMC） 的结构和工作原理，参考相关标准，以南澳多端柔性直流输电工程为例，研究提出了详细的 MMC 的型 式试验方案，该方案能够较全面地验证基于 MMC 拓扑结构的换流阀及其相关电路设计的正确性。 关键词： 模块化多电平换流阀（ MMC） ； 型式试验方案； 柔性直流输电
该试验的目的是验证换流阀的最大连续运行能 力是否满足设计要求。
试验要求： （ 1） 试验电压为最大连续直流电压 （ 考虑 1. 05 的安全系数） ； （ 2） 测试开关频率应基于最大连续开关频率； （ 3） 调制模式按照工程实际模式； （ 4） 冷却液温度应至少使功率器件或二极管结 温达到运行中的最高稳态值； （ 5） 持续测试时间应在冷却剂出口温度稳定后 不少于 30 min。 南澳柔性直流输电工程试验参数见表 3，由于本 工程要求换流阀具有 1. 1 倍过负荷能力，试验电流为 1. 1 倍额定电流。
南澳柔性直流输电工程是世界上第 1 个多端柔 性直流输电工程，于 2013 年 12 月 25 日正式投产。 一期为 三 端 直 流 输 电 系 统，远 期 为 四 端 直 流 输 电 系统。
62 http： / / www ． cepc． com． cn
第 35 卷第 12 期
侯婷，等： 基于 MMC 的柔性直流输电换流阀型式试验方案
电力建设
理论研究
基于 MMC 的柔性直流输电换流阀 型式试验方案
侯婷1 ，饶宏1 ，许树楷1 ，黎小林1 ，李岩1 ，易荣2 ，杨晓平3
（ 1． 南方电网科学研究院，广州市 510080； 2． 荣信电力电子股份有限公司，辽宁省鞍山市 114051； 3． 西安西电电力系统有限公司，西安市 710016）
Valve Type Test Scheme for Flexible DC Transmission System Based on MMC
HOU Ting1 ，ＲAO Hong1 ，XU Shukai1 ，LI Xiaolin1 ， LI Yan1 ，YI Ｒong2 ，YANG Xiaoping3
同样地，桥臂电流也是由直流分量和交流分量叠 加而成的复合变量，如图 3 所示，iq 为下桥臂电流，其 中直流 分 量 iq_dc 为 直 流 极 线 电 流 的 1 /3，交 流 分 量 iq_ac为交流输出电流的 1 /2。
2 南澳柔性直流输电工程基本参数
图 3 MMC 桥臂电流 Fig. 3 Bridge-arm current of MMC
中图分类号： TM 72
文献标志码： A
文章编号： 1000 － 7229（ 2014） 12 － 0061 － 06
DOI： 10. 3969 / j． issn. 1000 － 7229. 2014. 12. 010［HT］
0引言
柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、可控 器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术，是 解决风力、太阳能等可再生能源发电并网运行等问题 的有效途径之一［1-7］。柔性直流输电换流阀是柔性直 流输电系统中负责实现电能在交、直流之间转换的核 心装 备，其 对 温 度、电 压、电 流 及 其 变 化 率 非 常 敏 感［8］。为了保 证 柔 性 直 流 输 电 工 程 的 可 靠 运 行，在
试验要求： （ 1） 功率器件相关元件达到最高稳态结温的条 件下，使试验对象运行到热平衡；
http： / / www ． cepc． com． cn 63
理论研究
wenku.baidu.com电力建设
2014 年 12 月
（ 2） 每个功率模块的直流电压为额定电压的 1. 1 倍； 在以上条件下模拟直通短路电流。控制保护电路 开始检测过电流，在电流值小于最大安全关断电流极 限值时关断功率器件来限制过电流。南澳柔性直流 输电工程试验按上述要求开展。 4. 1. 3 最大电流连续运行能力试验
表 2 南澳柔性直流输电工程最小直流电压试验参数 Table 2 Minimum DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project
图 5 单桥臂单元的电气连接图 Fig. 5 Electrical connection of bridge-arm unit
由于换流阀的电子电路从功率模块直流电容取 能，因此该试验用于验证从直流电容取能的板卡电子 设备性能，试验电压是能保证换流阀电子电路正常工 作的最小直流电压。
换流阀解锁前会先经历一个充电过程，要求解锁 前电子电路应能正常工作，因此，最小直流电压试验 必须考虑闭锁状态下的充电。南澳柔性直流输电工 程换流阀解锁前，当从交流侧充电时，直流电压可充 到额定直流电压的 70% ，当从直流侧充电时，直流电 压可充到额定直流电压的 35% 。因此，每个功率模 块解锁前的最小充电电压为额定直流电压的 35% 。 同时，由于解锁前充电不可控，具有一定的不均匀性， 在确定最小直流电压时除了考虑一定的安全系数外， 还应考虑一定的不均匀系数。根据 IEC62501 的规 定［14］，试验持续时间不少于 10 min。南澳柔性直流 输电工程的具体试验参数如表 2 所示。
理论研究
3 换流阀塔结构
目前常用的阀塔结构主要有 2 类，如图 4 所示。 A 类阀塔每个桥臂由多个阀塔串连组成，B 类是每个 桥臂由一个连体大阀塔组成，接线方式也有所不同， 具体如图 5 所示。
图 4 桥臂单元布置示意图 Fig. 4 Layout of bridge-arm unit
验得出不均匀系数。但对于 B 类阀塔，试验对象必 须为一个完整的大阀塔。
对于 A 类阀塔，阀段之间的电压分配是正常工 作的一个完整桥臂的电压分配的典型值。在开展绝 缘耐压试验 时，可 选 择 部 分 相 连 的 阀 塔 作 为 试 验 对 象，但应考虑电压分布的不均匀性，可通过计算或试
4. 1. 2 功率器件过电流关断试验 试验的主要目的是在发生特定的短路故障或误
触发下关断时电流和电压应力作用下，检查功率器件 及其相关电路的设计是否合适。
基金 项 目： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 项 目 （ 863 计 划 ） （ 2011AA05A102） 。
投入运行之前必须通过一系列试验来考察换流阀的 安全可靠性，这 就 需 要 制 定 一 套 科 学 全 面 的 试 验 方 案。目前对于可控电压源型换流阀试验的相关国际 标准仅有 IEC62501 － 2009 （ Voltage sourced converter （ VSC） valves for high-voltage direct current （ HVDC） power transmission—Electrical testing） ，但并不是专门 针 对 模 块 化 多 电 平 换 流 阀 （ modular multilevel converter，MMC） 的 标 准，部 分 条 款 并 不 完 全 适 用。 我国对于可控电压源型换流阀试验的相关国标尚未 颁布，国内对柔性直流输电基于 MMC 拓扑的换流阀 试验的研究还处于起步阶段。本文以世界第 1 个多 端柔性直流输电工程———南澳多端柔性直流输电工
http： / / www ． cepc． com． cn 61
理论研究
电力建设
程为例，根据柔性直流换流阀和工程特点，研究并制 定详细全面的柔性直流输电模块化多电平换流阀的 型式试验方案。
1 换流器拓扑结构及工作原理
模块化多电平换流阀是一种较新的拓扑结构，换 流阀由 6 个桥臂组成，如图 1 所示。每个桥臂由 N 个 功率模块顺序级联构成，上、下桥臂间分别串联 1 个 电抗器（ 其电感为 Ls） ，同相上、下 2 个桥臂构成 1 个 相单元［9-11］。图 1 中 Udc 为直流电压，Usa 、Usb 、Usc 分 别为交流系统的三相电压，ia p、ibp、icp分别为三相上桥 臂电流，iaq 、ibq 、icq 分别为三相下桥臂电流。
目前一期在南澳岛上建设 2 个送端换流站（ 金牛站和 青澳站） ，在澄海区塑城站近区建设 1 个受端换流站 （ 塑城站） ，工程具体参数如表 1 所示。
表 1 南澳柔性直流输电工程基本参数 Table 1 Basic parameters of Nan'ao flexible DC
transmission project
4 型式试验方案
考核换流阀应从运行和绝缘 2 方面考核阀的设 计，因此型 式 试 验 可 以 分 为 运 行 试 验 和 绝 缘 试 验 两 大类［12］。 4. 1 运行试验
运行试验的目的是检验阀及相关电路，在运行状 态中最严重的重复作用条件下通态、开通和关断状态 时，对于电流、电压和温度的作用是否合适，同时证明 阀电子电路 和 阀 主 回 路 之 间 相 互 作 用 的 正 确 性［13］。 具体试验项目及要求如下。 4. 1. 1 最小直流电压试验
2014 年 12 月
图 2 MMC 交直流输出电压 Fig. 2 AC / DC output voltage of MMC
图 1 MMC 换流阀拓扑 Fig. 1 Topological structure of MMC
M M C 换流阀 单 元 采 用 的 是 半 桥，如 果 直 流 电 容电压已经被控制为 U d，M M C 的每个换流单元输 出将具有 0 和 Ud 这 2 种状态。如果每个桥臂有 N 个换流 单 元，则 桥 臂 输 出 电 压 的 状 态 将 在 0，U d， 2U d，… ，NU d之间变化，即具有 N + 1 个电平状态。 换流阀交直流输出电压如图 2 所示，U p、U q 分别为 上、下桥臂 交 流 输 出 电 压，U c 为 M M C 换 流 阀 交 流 输出电压。
（ 1． Electric Pow er Ｒesearch Institute，CSG，Guangzhou 510080，China； 2． Ｒongxin Pow er Electronic Co． ，Ltd． ，Anshan 114051，Liaoning Province，China；
3． Xi'an Xidian Pow er System Co． ，Ltd． ，Xi'an 710016，China） ABSTＲACT： In order to ensure the reliable operation of flexible DC transmission system，the safety and reliability converter valve should be completely checked by type test before operation． It demands a scientific and comprehensive type test scheme to verify and check the correctness of converter valve design． According to the structure and w orking principle of modular multilevel converter （ M M C ） and relevant standards， w ith taking the Nan'ao multi-terminal HVDC-flexible transmission project as an example，the type test scheme of M M C w as proposed，w hich could comprehensively verify the design correctness of converter valve and relevant circuit based on the topological structure of M M C． KEYWOＲDS： modular multilevel converter （ M M C） ； type test scheme； flexible DC transmission
摘 要： 为了保证柔性直流输电工程的可靠运行，在投入运行之前必须通过一系列试验来考察换流阀的安全可靠性，这就 需要制定一套科学全面的型式试验方案来验证考核换流阀设计的正确性。针对模块化多电平换流阀（ modular multilevel converter，MMC） 的结构和工作原理，参考相关标准，以南澳多端柔性直流输电工程为例，研究提出了详细的 MMC 的型 式试验方案，该方案能够较全面地验证基于 MMC 拓扑结构的换流阀及其相关电路设计的正确性。 关键词： 模块化多电平换流阀（ MMC） ； 型式试验方案； 柔性直流输电
该试验的目的是验证换流阀的最大连续运行能 力是否满足设计要求。
试验要求： （ 1） 试验电压为最大连续直流电压 （ 考虑 1. 05 的安全系数） ； （ 2） 测试开关频率应基于最大连续开关频率； （ 3） 调制模式按照工程实际模式； （ 4） 冷却液温度应至少使功率器件或二极管结 温达到运行中的最高稳态值； （ 5） 持续测试时间应在冷却剂出口温度稳定后 不少于 30 min。 南澳柔性直流输电工程试验参数见表 3，由于本 工程要求换流阀具有 1. 1 倍过负荷能力，试验电流为 1. 1 倍额定电流。
南澳柔性直流输电工程是世界上第 1 个多端柔 性直流输电工程，于 2013 年 12 月 25 日正式投产。 一期为 三 端 直 流 输 电 系 统，远 期 为 四 端 直 流 输 电 系统。
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