CN117638915A - 一种基于mmc的统一潮流控制器主回路参数设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法，其包括将基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计分为容量设计、MMC主参数设计、变压器参数设计；确定满足控制需求的统一潮流控制器所需最大串联变压器容量、对应最大注入线路电压、阀侧绕组折算至线路侧的最大注入电压、串联换流器最大容量和直流***功率，并联换流器和并联变压器容量根据***功能和无功需求确定，根据直流***功率确定直流电压；然后进行串、并联换流器的MMC阀组主参数设计；确定串、并联侧变压器网侧额定电压，根据调制比的概念确定串、并联侧变压器阀侧额定电压，并进行MMC桥臂电流峰值校验。本发明可快速简单地确定基于MMC的统一潮流控制器***的主回路参数。
Description
技术领域
本发明涉及柔性输电技术领域，特别是一种基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法。
背景技术
随着电网朝大***、长距离、大容量和跨区域联网的方向发展，电力***各区域之间连接的紧密程度增强，网络结构的复杂性大大提高，运行方式也越来越复杂多变。柔***流输电***可以在现有网架结构的基础上提高电力***运行的可靠性和稳定性，并且控制方式灵活迅速，逐渐成为研究的热点。统一潮流控制器作为交流输电***装置，既能在电力***稳定方面实现潮流调节，合理控制有功、无功功率，提高线路输送能力，实现优化运行；又能在动态方面，通过快速无功吞吐，动态支撑接入点的电压，提高***电压稳定性；还可以改善***阻尼，提高功角稳定性。
早期投运的三个统一潮流控制器工程的电压源换流器大部分采用GTO器件串联，由低电平换流桥、耦合变压器多重化拓扑构成，这种换流器存在运行损耗大、制造成本高、占地面积大、运行可靠性低等缺点。随着电力电子技术的不断发展，采用新型器件如IGBT构建电压源换流器成为可能。
基于MMC的统一潮流控制器***的主回路包括串联变压器、并联变压器、MMC桥臂电抗器、子模块电容器、IGBT模块等一次设备。主回路参数选择是基于MMC的统一潮流控制器***设计的重要组成部分，合理的主回路参数可以有效改善***的动态和稳态性能，降低***的初始投资及运行成本，提高***的经济性能指标。
目前基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计研究较为分散，缺少成套的贴合工程实际的主回路参数设计方法。为了方便工程设计，进一步探索基于MMC的统一潮流控制器在柔性输电场景下的技术经济性优势，很有必要从对基于MMC的统一潮流控制器的主回路参数设计方法进行研究。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法，针对柔***流输电场景，涉及包括容量设计、MMC主参数设计、变压器参数设计等部分，对于指导实际工程参数设计具有重要价值。
本发明公开了一种基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法，所述基于MMC的统一潮流控制器包括串联侧MMC、并联侧MMC、并联变压器和并联变压器；串联侧MMC和并联侧MMC通过直流隔离开关背靠背连接组成统一潮流控制器的本体装置；并联侧MMC通过并联变压器连接在交流母线上；串联侧MMC有多个，分别控制交流线路上的功率，通过串联变压器串入线路；
所述方法包括：
步骤1：将基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计分为容量设计、MMC主参数设计、变压器参数设计；容量包括MMC和变压器容量；MMC主参数包括子模块数量、子模块电容值、桥臂电抗器电抗值；变压器参数包括变压器变比和漏抗；
步骤2：基于近期和远景年的潮流分析计算，确定满足控制需求的统一潮流控制器所需最大串联变压器容量、对应最大注入线路电压、阀侧绕组折算至线路侧的最大注入电压、串联换流器最大容量和直流***功率，并联换流器和并联变压器容量根据***功能和无功需求确定；
步骤3：根据直流***功率确定直流电压，然后进行串、并联换流器的MMC阀组主参数设计；MMC阀组主参数包括子模块数量、子模块电容值和桥臂电抗器参数；
步骤4：根据统一潮流控制器接入的交流***，确定串、并联侧变压器网侧额定电压，根据调制比的概念确定串、并联侧变压器阀侧额定电压，并进行MMC桥臂电流峰值校验。
进一步地，在步骤1中：
对于容量设计，通过电网调度和规划部门既定的统一潮流控制器***投产年及今后接入电网负荷预测及分布，充分考虑接入电网边界条件的变化，进行近期和远景年潮流分析计算，以线路功率为首要控制目标，并考虑线路电流和电压的约束，确定串联侧的变压器和换流器的容量。
进一步地，所述串联侧的变压器的容量设计方法为：
满足潮流控制需求时，计算出网侧绕组注入线路的最大电压UT_max与阀侧绕组折算至线路侧的最大注入电压UVL_max中的较大值，以及线路额定电流IL_N，按下式确定串联变压器容量SNT：
串联侧的换流器的容量设计方法为：
满足潮流控制需求时，计算出串联变压器阀侧折算至线路侧的最大注入电压UVL_max，以及线路额定电流IL_N，按下式确定串联换流器容量SNV：
进一步地，考虑并联换流器作为静止同步串联补偿器SSSC备用的功能，容量取与串联换流器一致；考虑***接入电网无功功率需求，决定是否需要根据最大运行的STATCOM数量进行相应的倍乘，并联变压器容量SNT_shunt可以按照下式确定：
SNT_shunt＝n×SNT
其中，n为根据***接入电网无功功率需求确定的并联变压器容量倍乘系数，其等于最大无功功率补偿情况下并联变压器连接的换流器数量。
进一步地，直流电压的选取与***的直流功率有关；根据潮流计算结果，得到串流换流器与并联换流器的最大交换功率，即最大直流功率Pdc之后，直流电压Udc可以按照下式确定：
其中，Idc为单换流阀直流电流设计值。
进一步地，在所述步骤3中：
参考常规柔直***中MMC阀组参数设计，所述子模块数量的确定与***直流电压与子模块额定电压有关，稳态运行过程中，子模块中电力电子器件所承受的最大反向电压即为子模块的额定电压；子模块额定电压约为IGBT额定电压的一半，而MMC型换流器每个桥臂能够承担全部的直流电压Udc，并留有裕度，则子模块数量N可以按照下式确定：
其中，UIGBT为所使用的IGBT开关管的额定电压。
进一步地，所述子模块电容值C0按照“等容量放电时间常数”H的概念进行设计，可按照下式确定：
其中，H的取值参考已有柔直工程，SMMC为MMC容量；
所述桥臂电抗器电抗值L0按照“相单元串联谐振角频率”ωres的概念进行设计，ωres的取值原则是尽量远离MMC特有的二倍频环流谐振角频率同时又能够保证经济性，L0可以按照下式确定：
进一步地，在所述步骤4中，变压器的额定变比确定方法包括：
并联侧变压器网侧额定电压取统一潮流控制器并联侧接入的电网电压等级，网侧额定电压需要根据潮流控制要求，取所有运行工况中的最大注入线电压，该最大注入线电压的值远小于接入电网的额定电压；串联侧和并联侧变压器的阀侧额定电压都可根据MMC基波等效电路分析，按照下式定义的MMC调制比m确定：
其中，Udiffm为MMC阀出***流相电压的幅值；
变压器阀侧额定电压UTVN可按照下式确定：
进一步地，将正常运行中桥臂电流峰值限制在IGBT额定电流之下；对于MMC，桥臂电流由直流电流和阀侧交流电流两部分贡献；其中，直流电流在3个相单元均分，阀侧交流电流在相单元上下2个桥臂均分；基于MMC的统一潮流控制器工程中使用的IGBT，需要满足的限制条件按照下式确定：
其中，Iarmm为桥臂电流峰值，Ivm为阀侧交流电流幅值。
进一步地，若不满足所述限制条件，则变压器阀侧额定电压UTVN按照下式确定：
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1.对于柔性输电技术，本发明提出了一种基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法，可快速简单地确定基于MMC的统一潮流控制器***的主回路参数，对于指导工程建设具有重要意义。
2.本发明结合工程实际，以容量设计、MMC主参数设计、变压器参数设计等综合考虑基于MMC的统一潮流控制器***主回路参数设计，实施方法简单，效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于MMC的统一潮流控制器***的拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例的基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法的流程示意图；
图3为本发明实施例的MMC的基波等效电路示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
参见图2，本发明提供了一种基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法的实施例，本实施例中的基于MMC的统一潮流控制器的***拓扑结构如图1所示，串、并联侧MMC通过直流隔离开关背靠背连接组成统一潮流控制器的本体装置，并联侧MMC通过并联变压器连接在500kV交流母线上；串联侧MMC有两台，分别控制两条交流线路上的功率，通过串联变压器串入线路。
本实施例提供的一种基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法包括以下步骤：
S1、将基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计分为容量设计、MMC主参数设计、变压器参数设计三个部分；
S2、进行考虑近期和远景年的潮流分析计算，确定满足控制需求的统一潮流控制器所需最大串联变压器容量、对应最大注入线路电压、阀侧绕组折算至线路侧的最大注入电压、串联换流器最大容量和直流***功率，并联换流器和并联变压器容量根据***功能和无功需求确定；
S3、根据直流***功率确定直流电压，然后进行串、并联换流器的MMC阀组主参数设计，相应地包括子模块数量、子模块电容值和桥臂电抗器参数等；
S4、根据统一潮流控制器接入的交流***确定串、并联侧变压器网侧额定电压，根据调制比的概念确定串、并联侧变压器阀侧额定电压，并进行MMC桥臂电流峰值校验，决定是否需要适当增大阀侧额定电压，从而确定串、并联侧变压器额定变比，而变压器漏抗参数则可参考现有工程进行确定。
具体地，对于容量设计，通过电网调度和规划部门既定的统一潮流控制器***投产年及今后接入电网负荷预测及分布，充分考虑接入电网边界条件的变化，进行近期和远景年潮流分析计算，以线路功率为首要控制目标，并考虑线路电流、电压的约束来确定串联侧变压器和换流器容量。
具体地，满足潮流控制需求时，计算出网侧绕组注入线路的最大电压UT_max与阀侧绕组折算至线路侧的最大注入电压UVL_max中的较大值，以及线路额定电流IL_N，按下式确定串联变压器容量SNT：
具体地，满足潮流控制需求时，计算出串联变压器阀侧折算至线路侧的最大注入电压UVL_max，以及线路额定电流IL_N，按下式确定串联换流器容量SNV：
具体地，对于并联侧容量设计方法，并联换流器考虑其作为静止同步串联补偿器SSSC备用的功能，容量取与串联换流器一致。并联变压器容量则考虑***接入电网无功功率需求，决定是否需要根据最大运行的STATCOM数量进行相应的倍乘，其容量SNT_shunt可以按照下式确定：
SNT_shunt＝n×SNT (3)
其中，n为根据***接入电网无功功率需求确定的并联变压器容量倍乘系数，等于最大无功功率补偿情况下并联变压器连接的换流器数。
具体地，对于直流电压确定方法，直流电压的选取与***的直流功率有关，且由于统一潮流控制器的并联换流器和串联换流器背靠背连接，二者的直流电压等级相等。目前国内基于MMC的统一潮流控制器工程采用的电力电子器件都是3300V/1500A的IGBT，参考柔性直流输电工程，单换流阀直流电流Idc设计为1000A。根据潮流计算结果得到串流换流器与并联换流器的最大交换功率，即最大直流功率Pdc之后，直流电压Udc可以按照下式确定：
其中，Idc为单换流阀直流电流设计值，对于目前国内基于MMC的统一潮流控制器工程采用的3300V/1500A的IGBT，Idc取1000A。
具体地，对于MMC阀组参数设计方法，参考常规柔直***中MMC阀组参数设计，所述子模块数量的确定与***直流电压与子模块额定电压有关，稳态运行过程中，子模块中电力电子器件所承受的最大反向电压即为子模块的额定电压。考虑到故障暂态过程中子模块电容可能发生的充电电压上升现象，需要子模块电容电压留有一定的裕度，通常取子模块额定电压约为IGBT额定电压的一半，而MMC型换流器每个桥臂能够承担全部的直流电压Udc，并留有一定的裕度，则子模块数量N可以按照下式确定：
其中，UIGBT为所使用的IGBT开关管的额定电压，对于3300V/1500A的管子，此值为3300V。
具体地，对于子模块电容值C0设计方法，按照“等容量放电时间常数”H的概念进行，可以按照下式确定：
其中，H的取值参考已有柔直工程，一般在35～45ms之间，SMMC为MMC容量。
具体地，对于桥臂电抗器值L0设计方法，按照“相单元串联谐振角频率”ωres的概念进行，ωres的取值原则是尽量远离MMC特有的二倍频环流谐振角频率同时又能够保证经济性，通常在1.0倍的基波角频率ω0附近是合理的，L0可以按照下式确定：
具体地，对于变压器漏抗参数工程参考，目前国内已经投运的三个基于MMC的统一潮流控制器工程中并联变压器漏抗均取0.1pu；对于串联变压器漏抗，南京西环网220kV和苏南500kV统一潮流控制器工程均取0.2pu，上海220kV统一潮流控制器工程取0.12pu；可以将上述实际工程参数作为参考，具体取值以成套设计结论为准。
具体地，对于变压器额定变比确定方法，设计过程包括：
首先，并联侧变压器网侧额定电压取统一潮流控制器并联侧接入的电网电压等级，而由于串联侧变压器特殊的Ⅲ形连接，其网侧额定电压需要根据潮流控制要求，取所有运行工况中的最大注入线电压，这个值一般远小于接入电网的额定电压。而无论是串联侧还是并联侧变压器的阀侧额定电压，都根据附图3所示MMC基波等效电路分析，按如下式定义的MMC调制比m确定：
其中，Udiffm为MMC阀出***流相电压的幅值，参考已有柔直工程，调制比m取0.85左右。
变压器额定变比需要知道网侧额定电压和阀侧额定电压，MMC调制比m能够用来计算阀侧额定电压。
则变压器阀侧额定电压UTVN可以按照下式确定：
其次，按上式确定的阀侧额定电压只是初步结果，仍需进一步检验桥臂电流峰值Iarmm的大小。IGBT对于过电流的承受能力用允许的峰值电流IM来衡量，通常定为其额定电流的两倍，通常在工程中将桥臂电流峰值留出一倍的裕量，即将正常运行中桥臂电流峰值限制在IGBT额定电流之下。对于MMC，桥臂电流由直流电流和阀侧交流电流两部分贡献，其中，直流电流在3个相单元均分，阀侧交流电流在上下2个桥臂均分。以图1的虚线框中的“并联侧MMC”为例，可以看到共有三列，每列分上下两个桥臂，一共六个桥臂，每列的上下桥臂组合称为一个相单元。
则对于基于MMC的统一潮流控制器工程中使用的3300V/1500A规格的IGBT，需要满足的限制按照下式确定：
其中，Ivm为阀侧交流电流幅值。
如若该限制不被满足，则变压器阀侧额定电压UTVN按照下式确定：
本实施方法中，近期和远景年潮流分析结果为，统一潮流控制器所需最大串联变压器容量约为285MVA，对应最大注入线路电压为41.1kV，串联换流器最大容量约为235MVA，对应最大阀侧折算至线路侧的电压为33.9kV。考虑一定的裕度，取串联变压器额定容量为300MVA，网侧额定电压为43.5kV；串联侧换流器额定容量为250MVA。此外，还能得出，***中2个串联换流器和并联换流器交换的功率取为180MW，即直流功率180MW，按式(4)可得，直流电压为180kV。其次，考虑并联换流器作为SSSC备用的功能，***中并联换流器容量与串联换流器一致，为250MVA；***最大无功功率补偿情况下并联变压器连接的换流器数n为1，因此并联变压器容量直接取与串联变压器一致的300MVA即可。
***选取IGBT器件的规格为3300V/1500A，由式(5)得，桥臂子模块数目至少为110个，考虑一定裕量，取为112个。“等容量放电时间常数”H取为38.186ms，按式(6)可得，子模块电容值为11mF；“相单元串联谐振角频率”ωres取为0.846ω0，按式(7)可得，桥臂电感值为36mH。串、并联侧变压器漏抗参数参考实际工程取20％和10％。由于本实施方法中并联变压器接入500kV交流母线，故网侧电压取为505kV，根据柔性直流和统一潮流控制器工程的运行经验，并联换流器阀侧额定交流电压的选取考虑零功率运行时换流器输出调制比m约为0.85，由式(9)可以计算出并联侧MMC阀侧额定电压约为93.7kV，故并联MMC阀侧额定电压取为94kV，额定交流电流为1536A，相应可计算出其桥臂电流的有效值约为837A，峰值为1420A≤1500A，满足式(10)限制。理论上，串联变压器阀侧额定电压也取94kV即可，但由于串联侧直接串入线路，最大需要流过电流为线路额定电流，在进行桥臂电流峰值计算时容量需要按300MVA计算，故仍取94kV的情况下桥臂电流峰值超过1500A，需要适当增大阀侧额定电压以满足式(10)的限制，根据式(11)计算，串联变压器阀侧电压取为105kV时，且经核算，此时换流器正常运行时MMC调制比不大于1，可以实现。
综上，可以列出本具体实施方法得出的本实施例主回路参数如表1所示。
表1
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计方法，其特征在于，所述基于MMC的统一潮流控制器包括串联侧MMC、并联侧MMC、并联变压器和并联变压器；串联侧MMC和并联侧MMC通过直流隔离开关背靠背连接组成统一潮流控制器的本体装置；并联侧MMC通过并联变压器连接在交流母线上；串联侧MMC有多个，分别控制交流线路上的功率，通过串联变压器串入线路；
所述方法包括：
步骤1：将基于MMC的统一潮流控制器主回路参数设计分为容量设计、MMC主参数设计、变压器参数设计；容量包括MMC和变压器容量；MMC主参数包括子模块数量、子模块电容值、桥臂电抗器电抗值；变压器参数包括变压器变比和漏抗；
步骤2：基于近期和远景年的潮流分析计算，确定满足控制需求的统一潮流控制器所需最大串联变压器容量、对应最大注入线路电压、阀侧绕组折算至线路侧的最大注入电压、串联换流器最大容量和直流***功率，并联换流器和并联变压器容量根据***功能和无功需求确定；
步骤3：根据直流***功率确定直流电压，然后进行串、并联换流器的MMC阀组主参数设计；MMC阀组主参数包括子模块数量、子模块电容值和桥臂电抗器参数；
步骤4：根据统一潮流控制器接入的交流***，确定串、并联侧变压器网侧额定电压，根据调制比的概念确定串、并联侧变压器阀侧额定电压，并进行MMC桥臂电流峰值校验。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中：
对于容量设计，通过电网调度和规划部门既定的统一潮流控制器***投产年及今后接入电网负荷预测及分布，充分考虑接入电网边界条件的变化，进行近期和远景年潮流分析计算，以线路功率为首要控制目标，并考虑线路电流和电压的约束，确定串联侧的变压器和换流器的容量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述串联侧的变压器的容量设计方法为：
满足潮流控制需求时，计算出网侧绕组注入线路的最大电压UT_max与阀侧绕组折算至线路侧的最大注入电压UVL_max中的较大值，以及线路额定电流IL_N，按下式确定串联变压器容量SNT：
串联侧的换流器的容量设计方法为：
满足潮流控制需求时，计算出串联变压器阀侧折算至线路侧的最大注入电压UVL_max，以及线路额定电流IL_N，按下式确定串联换流器容量SNV：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，考虑并联换流器作为静止同步串联补偿器SSSC备用的功能，容量取与串联换流器一致；考虑***接入电网无功功率需求，决定是否需要根据最大运行的STATCOM数量进行相应的倍乘，并联变压器容量SNT_shunt可以按照下式确定：
SNT_shunt＝n×SNT
其中，n为根据***接入电网无功功率需求确定的并联变压器容量倍乘系数，其等于最大无功功率补偿情况下并联变压器连接的换流器数量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，直流电压的选取与***的直流功率有关；根据潮流计算结果，得到串流换流器与并联换流器的最大交换功率，即最大直流功率Pdc之后，直流电压Udc可以按照下式确定：
其中，Idc为单换流阀直流电流设计值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中：
参考常规柔直***中MMC阀组参数设计，所述子模块数量的确定与***直流电压与子模块额定电压有关，稳态运行过程中，子模块中电力电子器件所承受的最大反向电压即为子模块的额定电压；子模块额定电压约为IGBT额定电压的一半，而MMC型换流器每个桥臂能够承担全部的直流电压Udc，并留有裕度，则子模块数量N可以按照下式确定：
其中，UIGBT为所使用的IGBT开关管的额定电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述子模块电容值C0按照“等容量放电时间常数”H的概念进行设计，可按照下式确定：
其中，H的取值参考已有柔直工程，SMMC为MMC容量；
所述桥臂电抗器电抗值L0按照“相单元串联谐振角频率”ωres的概念进行设计，ωres的取值原则是尽量远离MMC特有的二倍频环流谐振角频率同时又能够保证经济性，L0可以按照下式确定：
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，变压器的额定变比确定方法包括：
并联侧变压器网侧额定电压取统一潮流控制器并联侧接入的电网电压等级，网侧额定电压需要根据潮流控制要求，取所有运行工况中的最大注入线电压，该最大注入线电压的值远小于接入电网的额定电压；串联侧和并联侧变压器的阀侧额定电压都可根据MMC基波等效电路分析，按照下式定义的MMC调制比m确定：
其中，Udiffm为MMC阀出***流相电压的幅值；
变压器阀侧额定电压UTVN可按照下式确定：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将正常运行中桥臂电流峰值限制在IGBT额定电流之下；对于MMC，桥臂电流由直流电流和阀侧交流电流两部分贡献；其中，直流电流在3个相单元均分，阀侧交流电流在相单元上下2个桥臂均分；基于MMC的统一潮流控制器工程中使用的IGBT，需要满足的限制条件按照下式确定：
其中，Iarmm为桥臂电流峰值，Ivm为阀侧交流电流幅值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，若不满足所述限制条件，则变压器阀侧额定电压UTVN按照下式确定：
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