高压大功率电网新型MMC-STATCOM结构直流融冰装置研究.pdf

第４３卷第１１期２０１５年６月１日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｏ１．４３ＮＯ．１１Ｊｕｎ．１，２０１５高压大功率电网新型ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ结构直流融冰装置研究马冰，陈忠华，刘红恩，杨慕紫，付京。（１．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛１２５１０５；２．中国电力科学院电力电子研究所，北京１００１９２；３．国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁阜新１２３０００）摘要：通过改进ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ结构可使其具有直流输出能力，实现高压大功率电网的直流融冰功能。运用三相模块化多电平换流器（ＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉ．１ｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＭＭＣ）的公共直流端以及ＭＭＣ各相之间能量能够相互流动的特点，实现四象限运行，且模块化的设计适合用于高压、大功率的场合。应用耐压高，驱动功率小的电子注入增强栅晶体管（ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＥｎｈａｎｃｅｄＧａｔｅＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＥＧＴ）作为功率子模块的开关器件，能够使装置容量得到更好的扩充，实现大电流的直流融冰和大功率的无功补偿功能。静止同步补偿器（ＳｔａｔｉｃＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＴＡＴＣＯＭ）也为无功补偿提供更准确和快捷的补偿能力。最后利用Ｍａｔｌａｂ等仿真软件搭建三相ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ结构融冰装置仿真模型进行模拟仿真，结果证明此结构在电网中可稳定且快速地运行。关键词：模块化多电平换流器；四象限运行；直流融冰；无功补偿；电子注入增强栅晶体；静止同步补偿器ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｇｒｉｄＤＣｉｃｅｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｓｔａｔｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅＭＡＢｉｎｇ，ＣＨＥＮＺｈｏｎｇｈｕａ，ＬＩＵＨｏｎｇｅｎ，ＹＡＮＧＭｕｚｉ，ＦＵＪｉｎｇ（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｌｕｄａｏ１２５１０５，Ｃｈｉｎａ；２．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９２，Ｃｈｉｎａ；３．ＦｕｘｉｎＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｍｐａｎｙ，Ｆｕｘｉｎ１２３０００，Ｃｈｉｎａ）‘Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅＭＭＣｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳＴＡＴＣＯＭＣａｎｍａｋｅｉｔｓｈａｖｅＤＣｏｕｔｐｕｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆ——ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｇｒｉｄＤＣｉｃｅｍｅｌｔｉｎｇ．ＭｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｈａｓａｃｏｍｍｏｎＤＣｓｉｄｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｃａｎｆｌｏｗｔｏｅａｃｈｏｔｈｅｒｂｅｔｗｅｅｎｅａｃｈＭＭＣｐｈａｓｅ，ｗｉｔｈｗｈｉｃｈｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄｉｔａｄｏｐｔｓｍｏｄｕｌａｒｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｉｃｈｉｓｖｅｒｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｐ—ｏｗｅｒｓｕｂｍｏｄｕｌｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ—ｔａｋｅｓｎｅｗｈｉｇｈｐｏｗｅｒａｎｄｌｏｗｄｒｉｖｉｎｇｐｏｗｅｒｔｕｒｎｏｆｆｄｅｖｉｃｅｓＩｎｊｅｃｔｉｏｎＥｎｈａｎｃｅｄＧａｔｅＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ｃａｒｌｅｘｐａｎｄｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅａｎｄａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｃｕｒｒｅｎｔＤＣｉｃｅ－ｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｈｉｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．ＳｔａｔｉｃＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（ＳＴＡＴＣＯＭ）ａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓａｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｂｉｌｉｔｙｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｆｏｒｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｔｈ—ｒｅｅ－ｐｈａｓｅＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓａｒｅｂｕｉｌｔｉｎｔｈｅＭａｔｌａｂｓｏｌｔｗａｒｅ。ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａ１）ｒｓｉｓｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｂｅｓｔａｂｌｅａｎｄｒｕｎｆａｓｔｅｒｉｎｔｈｅｇｒｉｄ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ＤＣｉｃｅｍｅｌｔｉｎｇ；ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｅｎｈａｎｔｅｄｇａｔｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ｓｔａｔｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ中图分类号：ＴＭ７６文献标识码：Ａ文章编号：１６７４．３４１５（２０１５）１１．０１０１．０８０引言雨雪冰冻是影响电网输电线路安全运行的主要因素之一，例如针对２００８年初特大雨雪冰冻天气对湖南电网造成巨大损失的破坏性问题，中国电力科基金项目：国家电网公司科技项目（ＤＬＨＺ２００８１３）学研究院参与设计的５００ｋＶ复兴变电站直流融冰兼静止无功补偿（ＳｔａｔｉｃＶａｔＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｓｖｃ）装置是国家级实施的重要科技减灾项目［１－２］。由该项目研制出的固定式直流融冰装置顺利通过试验并成功应用。如何更好地解决线路融冰和无功补偿问题，提高设备利用率，一直是值得深入研究的问题。本文针对高压电网存在的的实际问题，引入．１０２．电力系统保护与控制２００１年德国学者提出的模块化多电平换流器（ＭＭＣ）结构的概念【ｊＪ，将直流融冰与级联功率子模块链式结构ｓＴＡＴＣＯＭ］动态无功补偿功能相结合，提出了ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ新型直流融冰结构，将两组相同的级联型ＳＴＡＴＣＯＭ补偿器结构通过桥臂电感连接起来，克服传统的变换器结构输出电压等级受限制的缺陷，以及由故障或干扰造成桥臂瞬时开路或短路时易损坏等不足ｊ，不仅结构简单，无需整流变压器或移相变压器，而且操作便捷，功能切换时无需切换拓扑结构，可实现交流侧的多电平输出，无谐波问题，无需加装滤波器。大功率开关器件ＩＥＧＴ的并联使用，使此结构不但满足直挂电网１０ｋＶ交流侧大功率无功补偿的电压条件，同时满足直流侧输出４ｋＡ以上大电流融冰的条件。由于ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ型融冰装置具有直流母线，通过ＩＥＧＴ和多电平脉宽调制（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）技术，可以快速地使电能从电网侧流向直流侧，也可由直流侧回馈到电网侧，同时对有功和无功进行快速独立的控制，实现四象限运行。最后本文通过Ｍａｔｌａｂ等系统仿真软件，采用实际工程上的数值进行仿真实验，对提出的结构和功能进行实验验证。证明此结构可稳定且快速地运行。１系统拓扑结构１．１开关器件的选择系统的功率器件很大程度上决定装置的经济指标和效率。虽然ＩＧＢＴ的出现使电器设备在性能上迈了一大步，但饱和压降过高，阻断电压较低，本—文采用近年来出现的新型全控可关断器件ｌＩＥＧＴ。ＩＥＧＴ是耐压高达４ｋＶ以上的全控型电力电子器件，通过采取增强注入的结构来实现低通态电压，非常适合应用于高压大电流场合，应用范围要比ＩＧＢＴ宽泛的多。具有高阻断电压和低饱和压降的特点，驱动功率仅为１ＧＢＴ的四分之一左右，大大增加节能方面的优势Ｊ。与ＩＧＢＴ相比，ＩＥＧＴ的驱动功率更小，且能承受较高的ｄｕ／ｄｉ和ｄｉ／ｄｔ。曾经在高压大功率电力系统中，开关的工作频率由于受器件和技术的制约而不能过高，但由于ＩＥＧＴ采用ＭＯＳ栅极结构，开通和关断散热性能优秀、损耗小的特点，适当地增加开通和关断频率不仅不会造成明显的温度升高和电能传送能力的降低，还能促进改善逆变器输出电压的谐波性能。所以ＩＥＧＴ能够作为高压大功率电网装置设计中的主电路开关器件。—１．２ＭＭＣＳＣＯＭ型直流融冰结构ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ的每相桥臂均由多个功率子模块链接而成，由于工作在大功率下，单个开关器件不能满足电流要求，考虑ＩＥＧＴ并联分流原理，结构由Ｈ桥式模块衍生而来，如图１所示，先将两个带反并联二极管的ＩＥＧＴ串联形成串联组件，再将三组串联组件和一个电容并联构成功率子模块，通过控制ＩＥＧＴ的导通和关断来控制功率子模块在桥臂中的投切。－ｎ为子模块对电网的输出电压，数值为ｉｎ和０：Ｌ为电网注入模块的交流电流；ｆｄ为注入电容的直流电流；ａｎ为电容电压。系统对负荷的无功电流能够快速检测出来，通过适当的ＰｗＭ方式，使子模块的输出电压进行阶次叠加产生多电平电压波形，确保能够输出目标波形，获得相对应的无功补偿电流。图１新型功率子模块结构图Ｆｉｇ．１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｎｅｗｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ直流融冰装置结合了电压源换流器的灵活性和链式结构的方便快捷性等优点。系统拓扑结构如图２所示，每相由上、下两个相同图２ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ型直流融冰装置结构图—Ｆｉｇ．２ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭＤＣｉｃｅｍｅｌｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅ马冰，等高压大功率电网新型ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ结构直流融冰装置研究．１０３．Ⅳ的桥臂构成，单相桥臂由个功率子模块和一个桥Ⅳ臂电感串联而成。每相上、下桥的所有个功率模块，整体结构类似于并联两台星接ＳＴＡＴＣＯＭ，不—同之处在于ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ引出中性点为直流输出端，拥有交、直流公共母线，能够同时传输有功功功率和无功功率，实现四象限运行。—ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ型装置使多电平技术通过改进换流器本身的拓扑结构大大增加系统输出的功率。电平数越多，每个开关器件所承受的压降越低，谐波含量也就越低。通过系统控制使各相单元桥臂得到理想的桥臂电压，就可以实现在装置的直流侧得到较大的直流融冰电压，以及在交流侧得到期望的交流补偿电压。２工作过程及控制原理ＭＭＣ型结构等效电路原理如图３所示，换流器交流侧输出端经过桥臂电感与电网侧线路连接，、、为ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ输出的三相Ⅳ电压，为零点电位参考点，、分别为上、下桥臂交流中性点。换流器由Ａ、Ｂ、Ｃ三相组成，每相通过桥臂个子模块配合控制投切模拟正弦交流电压，任意时刻投入的上、下桥臂子模块数均相等，保持直流电压稳定。桥臂链接的子模块电容等效为可控电压源。‘ｔｈｉ、ｆｄｆｄｂｆｄ厶图３ＭＭＣ等效电路原理图Ｆｉｇ．３ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆＭＭＣｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ由于桥臂电感上的压降相对较小，所以忽略电感上的压降可以得出ｕ＋ｕｄｆ＝２Ｕｄ（１）为Ａ、Ｂ、Ｃ，又通过每相上下桥臂得“Ｕｕｆ＝Ｕｄ一ｆ“ｕｄｆ＝Ｕｄ＋ｆ（３）由式（１）～式（３）可知，只要通过对三相上、下桥臂施加的电压进行控制，就可以在装置的交流侧得到期望的交流补偿电压，以及在直流侧输出稳定的直流融冰电压。装置的工作情况可分为两个方面，即启动和运行，运行方面包括融冰和无功补偿两大功能。２．１启动过程启动装置首先要封锁所有功率子模块的触发脉冲，以Ａ、Ｂ相之间的桥臂子模块总电容充电过程为例说明ＭＭＣ型装置充电原理。ＭＭＣ型装置充电电路实际上工作原理等同ＲＬＣ电路，如图４所示，Ａ、Ｂ相线电压正、负半波充电回路参数相同，充电电容由于二极管的存在，其电压值被逐渐抬高。最大充电电流值ＭＡｘ会在的第一个周期内出现，有ＴＴ＝Ｔ（４）．１＋ＸＶ２式中：为网侧线电压有效值；为ＭＭＣ交流侧等效电感；厶为桥臂电感。图４ＭＭＣ型装置Ａ、Ｂ相Ｉ＇￣－Ｉ充电原理图Ｆｉｇ．４ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｃｈａｒｇｉｎｇｌｏｏｐｂｅｔｗｅｅｎｐｈａｓｅＡａｎｄｐｈａｓｅＢｏｆＭＭＣ—（２＋）一２ｃｏ０ｃ一０解出１（５）根据式（５）给定最大充电电流峰值，计算出ＭＭＣ装置交流侧限流电阻。充电电流峰值ＡＸ需—要综合考虑ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ装置、桥臂电感以及网侧变压器等的额定电流参数和电网的容量。最终，．１０４．电力系统保护与控制√直流侧电压能够输出的峰值为２，功率子模块充．ｒｒ电电容能够达到的峰值电压为。力启动阶段，交流侧三相线电压的幅值也就等于直流侧输出的融冰电压能够达到的最大值，由于此融冰电压最大值没有达到直流电压额定值，所以必须要通过控制器的作用，继续使充电电容充电，最终得到额定直流电压。系统采用双闭环控制器［３］控制直流电流的方式，内环通过电流负反馈完成高品质的交流电流响应，外环通过电压负反馈提供高品质的交流电压输出。２．２运行过程２．２．１融冰功能直流融冰的工作过程就是功率子模块在直流侧的放电过程，通过较高的直流电流，实现电能与热能的转换，使得导线发热，覆冰融化。以Ａ相桥臂Ⅳ电路为例，通过对上、下桥臂的交流中性点１和的直流偏移电位的调整，实现直流电压输出可控化。交流侧和直流侧的输出电压都是由每个功率子模块的电容电压叠加而成，同一相相内每个子模块的工Ⅳ作情况均相同。如图３所示，，和ｄ的直流电位偏移是串联模块输出电压叠加的结果，因而每个功率子模块的输出中同时含有交流分量和直流分量。子模块输出电压的直流分量通过ＰＷＭ技术来实现。同时叠加幅值为ｊ和一ｉ的直流电压分量向Ａ相上、下桥臂的子模块，上、下桥臂的输出电压为各自桥臂，ｚ个链式子模块输出电压的总和，其输出电压表达式为上桥臂：ＵａＮ＝Ｎ（Ｕａｕｆｓｉｎｇｏｔ＋【，ｄｆ）（６）下桥臂：，＝Ⅳ（ｓｉｎ一）（７）式中，和分别为Ａ相上、下桥臂一个子模块单元交流输出电压的幅值。将稳定的直流电压注入到某一相或两相输电线路中，控制较大幅值的直流电流产生持续的热能完成融冰工作。２．２．２无功补偿功能系统启动完成后，对输电线路的无功补偿功能—可通过电流直接控制来实现。此时系统的ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ结构可被视为与网侧同频率的幅值和相位均可控制的交流电压源。通过直接控制该等效电压源的交流侧的输出电流，采用ＰＷＭ脉宽调制技术对功率器件进行调制触发，使其产生对网侧所需补偿的适量的无功电流，完成动态无功补偿功能。由于功率器件开关损耗和线路损耗的存在，为保证装置的正常工作，需要从交流系统中吸收少量的有功功率以补偿装置的各种损耗，保持直流侧储能元件稳定。为ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ交流侧输出电压与网侧电压的相位差，当网侧电压滞后ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ交流侧输出电压时，为正值，为电抗器阻抗角。虽然输出电压与输出电流仍相差９０。，但网侧电压比电流的相位差减小了。所以系统需要输出电流中含有的有功分量提供有功功率来补充ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ的损耗。当网侧电压滞后于交流的输出电压（＞０）时，ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ吸收感性无功功率，如图５ｆａ）所示，当网侧电压超前于交流的输出电压（＜０）时，ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ吸收容性无功功率，如图５（ｂ）所示。所以改变输出电压的幅值和与网侧电压己７的相位差，即可控制改变电流的相位和大小，使电网中的无功功率得到补偿。ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ从系统中吸收的无功功率为Ｑ＝ｓ（８）—（ａ）ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ对感性负载工作卡日量陶（ｂ）ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ对容性负载：［作相量图５ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ工作相量图—Ｆｉｇ．５ＷｏｒｋｉｎｇｐｈａｓｏｒｄｉａｇｒａｍｏｆＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ￡［差］十尺［量］＝［荔］一Ｉ／ＵＵ￣一－－Ｕｄ。ａ］ｃ９下ｇ计算公式为—马冰，等高压大功率电网新型ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ结构直流融冰装置研究・１０５一（料：１（１２）瞬时有功功率和无功功率为＝‘Ｕｉｄｌｄ＝ｘ／－３ＵｉｉｄＱｆ＝＝（１３）（１４）由式（１３）、式（１４）可知，对电网功率的有功和无功的独立控制可通过对ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ的、ｔ的调节来实现。本文为了保证系统控制的响应速度和精度，采用动态响应控制最迅速的电流直接控制法，对ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ的控制如图６所示，Ｑ为系统进入无功补偿阶段指令；为直流参考电压；为单个功率子模块电压；为在有功电流参考分量上叠加的直流调节分量。开关电路由通过电流控制环节调节后的信号进入比较环节之后—生成，附加驱动脉冲即可控制ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ无功补偿工作。３系统仿真图６无功补偿控制框图Ｆｉｇ．６Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ—为了验证ＭＭＣＳＴＡＴＣＯＭ型直流融冰装置的功能，搭建基于Ｍａｔｌａｂ的典型三相线路的数字仿真模型［１４－１６１。系统主电路由三相电压源和三相负载、电抗器和多组功率子模块组成，系统参数见表１。在系统仿真中，对装置的几个动态响应过程进行综合分析，通过仿真波形来验证此系统结构与功能上的优越性。本文主要对前文所述的启动过程，以及融冰和无功补偿功能运行过程的响应波形进行分析。表１系统参数表Ｔａｂｌｅ１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｙｓｔｅｍ系统参数数值直流输出电压直流输出电流子模块电容单相子模块数量单相单桥臂子模块数量桥臂电感电网侧相电压装机容量＼●●●●＼●＼，咖一一—一２１２一一，，，．．．．．．．．．．．。．。．．．．．．．．＿一／：●●●、．＼．．０，，。．．．．Ｒｌ一２＋●●●＼、／．一．●●●●●●／，、、础ｌ一２＋●●＼，．、＼．．ｖ●●●，，－一／ｄ一—１２一１０６－电力系统保护与控制装置的启动过程以直流侧的电压输出波形为跟踪响应。由图７可知，应用限流电阻使直流侧的电压输出波形无明显过冲。充电过程中电压虽有波动，但由于闭环控制的存在，使得电压能通过比较很快跟踪参考值，最终稳定在额定值。每一相通过上、下桥臂所有子模块的同时工作既能满足交流侧１０ｋＶ电网无功补偿容量要求，又能满足直流侧大功率直流融冰所须的电压抬高要求。ｆ，ｓ图７启动过程直流电压响应Ｆｉｇ．７ＤＣｖｏｌｔａｇｅｄｕｒｉｎｇｓｔａｒｔｕｐｒｅｓｐｏｎｓｅ装置融冰功能实现的好坏可根据直流侧输出电压和某一单相线路输出的融冰电流的波形来验证。图８为融冰阶段电压波形，可以看出直流电压始终保持在参考值２０ｋＶ附近波动，最大波动幅度不大于３％，稳定的电压是提供４ｋＡ以上大功率稳定电流的基础。对Ａ、Ｂ、Ｃ三相输电线路进行单相独立融冰，图９为系统直流侧为Ａ相线路提供融冰电流的响应图，其他两相线路融冰时电流波形与Ａ相基本相同，从图中可知，经过短暂的波动后，线路上的融冰电流稳定在额定电流附近，能够有效地快速融冰。ＳＴＡＴＣＯＭ补偿功能反映在电网侧电流、电压相位的调节上。图ｌＯ为ＳＴＡＴＣＯＭ运行在感性状态，将网侧电流、网侧电压和ＳＴＡＴＣＯＭ补偿电流通过同一时序的波形叠加，更直观地看出相位关系以进行深入分析。在ＳＴＡＴＣＯＭ未工作时系统为容性负载，０．１Ｓ时刻，ＳＴＡＴＣＯＭ通过控制器投入运行。从仿真波形可见，在ＳＴＡＴＣＯＭ未工作时，网侧电流超前于网侧电压并且电流幅值较大，ＳＴＡＴＣＯＭ运行后，网侧电流幅值减小为原来的１／２左右，并且电流相位与网侧电压相位完全同相，说明系统中的无功功率完全被补偿。从０．１Ｓ时刻以后的波形变化可以看出ＳＴＡＴＣＯＭ的响应非常迅速，补偿工作大约在１０ｍｓ内完成。０５０００．５０５０．５１００．５１５０．５２００．５２５０．５３００．５３５０５４０ｆ，ｓ图８直流电压输出波形Ｆｉｇ．８ＤＣｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍ∥ｓ图９Ａ相线路输出电流响应Ｆｉｇ．９Ａｐｈａｓｅｌｉｎｅｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅｆ／ｓ图１０感性负载无功功能响应时序图Ｆｉｇ．１０Ｔｉｍｉｎｇｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｏａｄｒｅａｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｓｐｏｎｓｅ图１１为负载发生突变时ＳＴＡＴＣＯＭ的响应过程时序图，仿真中模拟负载的变化情况：在０－０．０４Ｓ时间内，系统空载，电网电流为零；在０。０４～０。１８Ｓ时间内，系统负荷呈容性；在０．１８～０．２２Ｓ时间内，负荷全部退出，系统处于空载状态；在０．２２～０＿３Ｓ时间内，系统中投入感性负荷。该响应波形综合反映了对于突变负载ＳＴＡＴＣＯＭ的动态补偿性能，在０．１Ｓ时刻，ＳＴＡＴＣＯＭ启动迅Ｏ５０５Ｏ５Ｏ５０５０５４４３３２２ｌ０马冰，等高压大功率电网新型ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ结构直流融冰装置研究１０７．速补偿系统中的容性无功电流，使系统电流完全转化为有功电流且与网侧电压相位相同；在０．１８Ｓ时刻，系统中负荷全部退出，ＳＴＡＴＣＯＭ处于空载运行状态；０．２２Ｓ时刻，ＳＴＡＴＣＯＭ立即处于容４结论性运行状态，补偿系统中的感性无功电流。通过仿真波形，验证了该控制系统具有较高的响应速度和较强的精度。ｓ图１１突变负载无功功能响应时序图Ｆｉｇ．１ｌＴｉｍｉｎｇｄｉａｇｒａｍｏｆｍｕｔａｔｉｏｎｌｏａｄｒｅａｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｓｐｏｎｓｅ通过对新型ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ结构融冰装置的运行仿真波形分析，得出结论：应用大功率可关断器件ＩＥＧＴ为核心的开关模块，能够更快捷平滑地实现大功率输电线路的开通和关断；系统的ＭＭＣ结构有效地提高变电站的动态电压协调能力，实现四象限运行，谐波畸变小，避免谐波污染，很大程度上提高直流融冰设备的利用率且通过抬高电压的方式能够得到稳定的４ｋＡ以上融冰电流；ＳＴＡＴＣＯＭ的运行对网侧无功的补偿非常迅速，动态响应良好，ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ结构能够满足大功率电网的运行条件。装置无论是在结构还是功能上都要比多重化整流器型融冰装置优异，所以模块化结构是更好地解决大功率电网问题的方向，在高压或特高压电网运行中，新型ＭＭＣ．ＳＴＡＴＣＯＭ结构融冰装置将会有更广阔的发展空间。参考文献［１］张文亮，于永清，宿志一，等．湖南电网２００８年冰雪灾害调研分析【Ｊ】．电网技术，２００８，３２（８）：１－６．ＺＨＡＮＧＷｅｎｌｉａｎｇ，ＹＵＹｏｎｇｑｉｎｇ，ＳＵＺｈｉｙｉ，ｅｔａ１．ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｃｉｎｇａｎｄｓｎｏｗｉｎｇｄｉｓａｓｔｅｒｈａｐｐｅｎｅｄｉｎＨｕｎａｎＰｏｗｅｒＧｒｉｄｉｎ２００８［Ｊ１．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，３２（８）：１－６．［２］谢彬，洪文国，熊志荣，等．５００ｋＶ复兴变电站固定式直流融冰兼ＳＶＣ试点工程的设计［ＪＪ．电网技术，２００９，３３（１８）：１８２－１８５．ＸＩＥＢｉｎ，ＨＯＮＧＷｅｎｇｕｏ，ＸＩＯＮＧＺｈｉｒｏｎｇ，ｅｔａ１．ＰｉｌｏｔｐｒｏｊｅｃｔｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔｆｉｘｅｄＤＣｉｃｅ－ｍｅｌｔｉｎｇａｎｄＳＶＣｆｏｒ５００ｋＶＦｕｘｉｎｇｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓ￣ｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，３３（１８）：１８２－１８５．［３］王珊珊，周孝信，汤广福，等．模块化多电平电压源换流器的数学模型［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１１，３１（２４）：１．８．ＷＡＮＧＳｈａｎｓｈａｎ，ＺＨＯＵＸｉａｏｘｉｎ，ＴＡＮＧＧｕａｎｇｆｕ，ｅｔａ１．—ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｖｏｌｔａｇｅＳＯ１ＭＣｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１１，３１（２４）：１．８．［４］杨晓峰，王晓鹏，范文宝，等．模块组合多电平变换器的环流模型［Ｊ】．电工技术学报，２０１１，２６（５）：２１．２７．ＹＡＮＧＸｉａｏｆｅｎｇ，ＷＡＮＧＸｉａｏｐｅｎｇ，ＦＡＮＷｅｎｂａｏ，ｅｔａ１．Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１１，２６（５）：２１－２７．［５］杨晓峰，孙浩，支刚，等．双星型模块组合型多电平变换器的ＰＷＭ控制策略［Ｊ］．电力电子，２０１０，２５（２）：１４．１９．ＹＡＮＧＸｉａｏｆｅｎｇ，ＳＵＮＨａｏ，ＺＨＩＧａｎｇ，ｅｔａ１．ＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｏｆｄｏｕｂｌｅｓｔａｒ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，２５（２）：１４．１９．［６］朱劲松，李磊．基于模块化多电平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