PWM电流源型高压直流输电系统设计与控制文献综述

 2022-09-20 11:02:17

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  1. 文献综述（或调研报告）：

随着全球能源短缺、大气污染和全球变暖等环境问题日益加重，各国都不断加大力度开发和建设新能源发电。在各类新能源中，海上风电因为可观稳定的风资源和较小的环境影响，具有广阔的发展前景[6]。而海上风机和陆上电网通常会有较远的距离，利用高压直流输电（HVDC）技术，可以实现经济、低损耗的输电要求。基于深入和广泛的理论研究，电压源型变换器在目前的风电直流输电应用领域中占主导地位。[18]中提出了一种基于有功调制的滑模控制，应用于电压源型的多端直流输电中，为陆上交流系统增加功率振荡的阻尼作用，提高系统稳定性。[19]中提出了一种可变协作控制（ACC），可实现电压源型多端直流输电的快速频率响应。

虽然受开关元件和直流储能元件体积和效率的影响，电压源型变换器（电容储能）在目前应用和研究领域更领先，但其也有一些固有缺陷[17]：（1）受功率器件的电压等级限制，在中压大功率应用场合，变流器多采用器件串联均压或者多电平电路来解决器件耐压受限的问题。但开关器件直接串并联会带来复杂的动、静均压均流控制问题，且多个器件串流会降低系统的可靠性；（2）VSC的du/dt较大，过高的dv/dt在某些情况下可能导致电机绕组之间局部放电而过早出现绝缘老化等问题。过高的dv/dt还会通过定、转子之间的寄生电容在转子上感生出轴电压而形成轴电流，使得轴承过早损坏。另外，过高的dv/dt在长电缆传输应用场合，会由于长电缆的波反射效应使得电机端电压波形上升/下降沿幅值加倍。与之相比，电流源型变换器（电感储能）有一些先天的优势[17]：（1）有拓扑结构简单；（2）开关器件方便串联使用。（3）输入/输出电流波形质量高；（4）扼流电感良好的限流能力，无需熔断器即可提供可靠的短路保护；（5）在低开关频率下仍可获得很好的电流波形；（6）CSC功率开关器件的电压应力du/dt较VSC要小；（7）电压源型的直流母线电压往往被控制为一个定值，而电流源型中直流母线电流可随电源与负荷大小调节，实现损耗的最小化。

而随着技术的进一步发展，电流源型变换器的缺点不断被改善，展现出与电压源型变换器同等水平的性能。目前电流源型变换器的主要问题有：（1）直流电感储能损耗大，体积大，噪音大，成本高；（2）可选择的开关元器件较少，如SGCT等；（3）LC低频谐振的抑制；（4）低次谐波的抑制；（5）共模电压的抑制。超导储能技术的出现，使得提升电感储能的效率和储能密度成为可能，且与电容相比电感储能有更长的使用寿命。在电流源型直流输电的拓扑结构中，变换器需要并联电容的辅助来完成换流，也起到滤除谐波的作用。而线路或发电机电感和电容的串并联结构，使得网侧和变换器侧的低次谐波可能引起线路的LC谐振[1]。LC谐振问题一般通过设计适当的电路参数来解决，但在变参数的场景下并不方便，因此[16]提出了一种有源阻尼控制，能够在变换的电路参数下有效地抑制LC谐振使用使用。另一方面，大功率中压电流源型变换器中，受器件的限制开关频率仅能工作在数百HZ，随之带来的低次谐波问题是研究的热点。[11]对现存的电流源型变换器调制策略进行了研究和比较（特定谐波消除调制、梯形波调制、空间矢量调制等），并在[12]、[13]中提出了一种基于自然采样的SVM调制策略，该策略可以有效地改善传统SVM严重的低次谐波问题，并保留了SVM的良好的动态性能。文献[20]中提出了一种可在SVM和SHE两种调制方式中切换的策略，在稳态时采用SHE调制，暂态时采用SVM调制，同时保证了系统的谐波性能和动态性能，但使系统控制较为复杂。除此之外，波动的直流母线电流会通过CSR和CSl分别在网侧和电机侧的PWM电流中引入某些谐波及交互谐波[17]。因此，抑制直流母线电流的波动也十分重要，[14]提出了一种新的SVM策略，通过优化开关序列，产生最优的直流母线电流。[15]在此基础上对级联结构的SVM调制策略进行研究，使用适当的开关序列有效地抑制了直流母线电压波动。由于电压等级较高，中压传动系统比低压系统的共模电压影响大得多，如果不加以抑制或消除，对发电机的绝缘系统可能会造成损坏。在发电机与变换器间串联三相低频变压器[5]，可以有效地解决这个问题，但变压器庞大的体积和重量使其在一些场合并不实用。因此[6]中提出了模块化中频变压器，很好地解决了串联风电场结构的共模电压问题。

在最新的应用研究中，[3]中提出了一种基于PWM电流源型变换器（CSC）的背靠背型风能变换系统，应用于单一风机并网。在此基础上，[4]中提出一种利用电流源型高压直流输电的串联风电场结构，与其他结构的风电场相比，它可以消除庞大和昂贵的海上变电站。但会产生一个新问题，与接地点相距最远的风电机要承受全部的传输电压，如果不加以抑制或消除，可能会对风机的绝缘系统造成损坏。因此，[5]中使用了三相低频变压器来解决这个问题。但低频变压器的成本、体积和重量使这个方案实际难以实施。于是，[6]中提出了一种模块化的中频变压器前端结构，该结构重量和体积更小，成本更低，功率密度更高，且在海上施工简单，有较好的可靠性和适应性。[7]中提出了一种模块化预测控制，解决了级联模块化DC-DC变换器的电压平衡问题，该方法简单直接，且成本更低，有更好的全局动态性能。为了进一步降低共模电压，减少绝缘等级，[8]中提出了双极性的运行方式，可以使共模电压降低为之前的一半。为了降低成本，获得更高的效率，[9]中提出了一种最优化控制策略，来降低风能变换系统中需要电流源型逆变器的数量和其运行时的损耗。在[10]中深入研究了多端直流输电应用中单个变换器的独立控制，考虑了直流母线的电缆线路模型。并推导出了综合考虑下的等效电路，在此基础上将直流母线电流和电压作为衡量系统性能的标准，分析了系统的最坏情况和LC滤波下的性能。
  1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

  1. 拓扑结构：如上图所示，系统的拓扑结构采用文献[6]中的模块化中频变压器电流源型变换器风能变换系统，采用三端口的MTDC方式，一个发电机端口，两个电网端口（两风机方案：两个发电机端口，一个电网端口见后文）。该结构由一个永磁同步风力发电机、一个三相二极管无源整流器及模块化中频变压器的变换器、两个陆上电流源型逆变器和两个连接电网的变压器组成。
  2. 调制策略：对发电机侧而言，由于风能变换系统通常为单向功率传输，前端使用三相二极管无源整流器，有可靠、低成本、轻量小体积、机侧控制简单的优点。模块化中频变压器可以等效为一个BUCK型电路，因此使用传统的移相调制方案，固定50%占空比运行，而移动第二支路的相位来传输功率。

电网侧的电流源型逆变器采用SVPWM调制方式，实现简单、动态性能好。在实现传统SVM的基础上，可采用文献[12]中基于自然采样法的SVM方式，减少低次谐波的影响，且保留高动态性能。除此之外，如果出现LC谐振问题，可添加有源阻尼控制，对LC谐振进行有效的抑制。

  1. 控制策略：电流源型多端直流输电的控制主要分为两部分，一是每个端口单元的独立控制，另一个是风电场监督控制（WFSC）。就独立控制而言，发电机侧的模块化中频变压器采用模块化预测控制[7]，实现模块间的电压/功率均匀分配与风力发电机的最大功率点追踪（MPPT）控制。

电网侧的电流源型逆变器采用直流电流母线外环，交流电流内环的双环控制方式。其中交流内环在锁相环（SPLL）技术对电网电压定向的基础上，使用dq旋转坐标系对有功（直流母线电流）、无功进行独立控制，实现直流母线电流控制和无功功率控制两个目标[1]。

对于风电场监管控制[5]来说，首先接收风力发电机捕捉到的总有功功率和电网所需的无功功率，将其均匀分配给每个陆上电流源型逆变器。陆上的电流源型变换器接收到分配的有功功率后，计算出其要求的最小直流母线电流值，并传输给风电场监管控制。最后，风电场监管控制综合考虑每个端口要求的直流母线电流大小，选择其中最大的直流母线电流值传输给每个CSC，保证最小化传输损耗和旁路运行损耗与其他控制目标同时实现。

  1. 同时根据文献[18]、[19]，完成三端口的PWM电压源型高压直流输电系统的设计与仿真，与电流源型高压直流输电系统相对比，验证电流源型的短路电流保护能力。
  2. 两风机拓扑结构：如下图所示，该结构由两个永磁同步风力发电机、两个三相二极管无源整流器及模块化中频变压器的变换器、两个陆上电流源型逆变器和一个连接电网的三绕组变压器组成。文献[5]中提出了一个发电机对应一个电流源型逆变器的设计原则，因此两个发电机需要使用两个电流源型逆变器，使每个变换器的调制度系数都接近1，从而最小化直流母线电流，减小损耗。除此之外，在之前的控制与调制策略基础上，还可以应用到[9]中提出的最优化控制策略。当海上风速低于某一速度时，实际上不需要两台逆变器同时工作。因此，风电场监管控制根据实时捕捉风能Pg的大小，计算出实际需要的陆上逆变器数量，将不需要的逆变器调节至旁路运行状态，有效地减少逆变器运行损耗，实现更高效的运行。

五、进度安排：

（1）2018年12月至2019年1月，完成PWM电流源型高压直流输电系统工作原理分析；

（2）2019年2月至2019年3月，完成PWM电流源型高压直流输电系统电路设计与仿真；

（3）2019年4月，完成PWM电流源型高压直流输电系统的实验内容；

（4）2019年5月至2019年6月，进行整理，撰写论文。

参考文献：

  1. B. Wu, Y. Lang, N. Zargari and S. Kouro, Power Conversion and Control of Wind Energy Systems. Wiley-IEEE Press, 2011.
  2. 赵畹君. 高压直流输电工程技术. 北京：中国电力出版社, 2009.
  3. J. Dai, D. Xu, and B. Wu, “A novel control scheme for current-source converter-based PMSG wind energy conversion systems,” IEEE Trans.Power Electron., vol. 24, no. 4, pp. 963–972, Apr. 2009.
  4. M. Popat, B. Wu, and N. Zargari, “A novel decoupled interconnecting method for current source converter based offshore wind farm,” IEEE Trans. on Power Systems, vol. 27, no. 10, pp. 4224-4233, Oct. 2012.

[5] M. Popat, B.Wu, F.Liu and N. Zargari, “Coordinated control of cascaded current source converter based offshore wind farms,” IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 3, no. 3, pp. 557-565, 2012.

[6] Q. Wei, B. Wu, D. Xu, N. Zargari, 'A Medium Frequency Transformer-Based Wind Energy Conversion System Used for Current Source Converter Based Offshore Wind Farm,' IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 1, pp. 248-259, Jan. 2017.

[7] Q. Wei, B. Wu, D. Xu and Navid R. Zargari, “Model Predictive Control of Capacitor Voltage Balancing for Cascaded Modular DC–DC Converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 1, pp. 752-761, Jan. 2017.

[8] Q. Wei, B. Wu, D. Xu, N. R. Zargari, 'Bipolar Operation Investigation of Current Source Converter-Based Wind Energy Conversion Systems,' IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 2, pp. 1294-1302, Feb. 2018.

[9] Q. Wei, B. Wu, D. Xu, N. R. Zargari, 'An Optimized Strategy for PWM Current Source Converter-Based Wind Conversion System with Reduced Cost and Improved Efficiency,' IEEE Transactions on Power Electronics, vol.33, no.2, pp. 1202-1210, Feb. 2018.

[10] Q. Wei, B. Wu, D. Xu, N. Zargari, 'A Further Study on PWM Current Source Converter Based Wind Energy Conversion System Considering DC-Link Voltage,' IEEE Transactions on Power Electronics, 2018.

[11] Q. Wei, L. Xing, D. Xu, B. Wu and Navid R. Zargari, “Modulation Schemes for Medium-Voltage Current Source Converter-Based Drives: An Overview,” IEEE Transactions on Power Electronics, April 2018.

[12] Q. Wei, B. Wu, D. Xu and N. R. Zargari, 'A Natural-Sampling-Based SVM Scheme for Current Source Converter with Superior Low-Order Harmonics Performance,' IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 9, pp. 6144-6154, Sept. 2016.

[13] Q. Wei, B. Wu, D. Xu and N. R. Zargari, 'Optimal Space Vector Sequence Investigation Based on Natural Sampling SVM for Medium-Voltage Current-Source Converter,' IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 1, pp. 176-185, Jan. 2017. [14] X. Guo, D. Xu, J.M. Guerrero, and B. Wu, 'Space vector modulation for dc-link current ripple reduction in back-to-back current-source converters for microgrid applications.' IEEE Trans. Ind. Electron, vol.62, no.10, pp.6008-6013, Oct. 2015.

[15] P. Liu, Z. Wang and M. Cheng, “Mitigation of DC-link current ripple for cascaded current-source-converters energy conversion systems,” International Conference on Electrical Machines and Systems, pp. 718-723, 2018.

[16] J. C. Wiseman, B. Wu, “Active Damping Control of a High-Power PWM Current-Source Rectifier for Line-Current THD Reduction,” IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 52, no. 3, pp.758-764, June 2005.

[17] 胡安平. 大功率电流源型变流器的控制及优化策略研究: [博士学位论文] . 安徽：合肥工业大学，2015.

[18] G. Tang, Z. Xu, Z. Xu, H. Dong and Q. Xu, “Sliding mode robust control based active-power modulation of multi-terminal HVDC transmissions,” IEEE Trans. on Power Systems, vol. 31, no. 2, pp. 1614-1623, March 2016.

[19] O. D. Adeuyi, M. Cheah-Mane, J. Liang, and N. Jenkins, “Fast frequency response from offshore multiterminal VSC-HVDC schemes,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 32, no. 6, pp. 2442-2452, December 2017.

[20]Wang Z, Wu B, Xu D, et al. Hybrid PWM for High-Power Current-Source-Inverter-Fed Drives With Low Switching Frequency[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011,26(6):1754-1764.

资料编号：[178152]

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