井下柔性直流输电系统换流站设计.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n 第45卷第12期 2019年12月 Vo l .45 No .12 De;.2019 文章编号1671-251X2019 12-0060-08DOI10. 13272/j. issn . 1671251x. 17463 井下柔性直流输电系纟充换流站设计 李山】，潘涛2, 倪春明3,王颖杰“，王亚娟4 1.国家能源集团神东煤炭集团设计公司,陕西神木719315； 2.国家能源集团神华信息技术有限公司，北京100011； 3.中煤科工集团上海有限公司，上海201401； 4.中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州221116 扫码移动阅读 摘要针对煤矿井下供电负荷、供电距离、供电系统有功损耗均较大，且负载侧存在电压偏低和闪变等问 题的现状，将基于模块化多电平换流站的柔性直流输电MMC-HVDC系统应用到井下供电系统，重点介绍 了该系统中换流站MMC的拓扑结构、数学模型、参数及控制器设计等。井下MMC-HVDC系统包含整流 站和逆变站2个MMC，整流站采用快速电流内环控制和定直流电压、定无功功率外环控制的双闭环控制结 构，逆变站采用定交流电压控制；MMC均采用载波移相脉宽调制和基于能量均分控制、电压平衡控制的均 压策略在P SCAD/EMTDC软件中对井下 MMC-HVDC系统进行仿真实验，结果表明井下 MMC- HVDC 系统在稳态运行时具有良好的动态响应，实现了有功和无功功率独立控制，提高了直流输电效率；系 统受到因井下负荷变化引起的扰动时可以较快的速度调节有功和无功功率，快速稳定直流输电电压，同时将 逆变站输出电压幅值和相位稳定在额定值 关键词井下供电；柔性直流输电系统；模块化多电平换流站；快速电流内环控制；定直流电压外环控 制；定无功功率外环控制；定交流电压控制 中图分类号TD611 文献标志码A Co n v er t e r d es ig n o f un d er g r o un d h ig h v o l t a g e d ir ec t c ur r en t sy s t em LISh a n1, P AN Ta o2, NI Ch un min g3 , WANG Yin g jie4, WANG Ya jua n4 1.CHN En er g y Sh en d o n g Co a l Gr o upDesig n Co mpa n y ,Sh en mu719315,Ch in a ; 2.CHN En er g y Sh en h ua In f o r ma t io n Tec h n o l o g y Co . Lt d . , Beijin g 100011, Ch in a; 3UCCTEG Sh a n g h a i Resea r c h In st it ut e, Sh a n g h a i 201401, Ch in a ; 4 Sc h o o l o f El ec t r ic a l a n d P o w er En g in eer in g , Ch in a Un iv er sit y o f Min in g a n d Tec h n o l o g y , Xuzh o u 221116, Ch in a AbstractFo r e xist in g st a t uso f l a r g e r po w er suppl y l o a d ,po w er suppl y d ist a n c e a n d a c t iv epo w e r l o ss o f po w e r suppl y sy st emin c o a l min eun d e r g r o un d a n d pr o bl e mso f l o w v o l t a g e a n d f l ic ke r a t l o a d s id e , mo d ul a r mul t il ev el c o n v er t er -h ig h v o l t a g e d ir ec t c ur r en t MMC-HVDC sy st em w a s a ppl ied t o un d er g r o un d po w er suppl y sy st e m.To po l o g y ,ma t h e ma t ic a l mo d el a n d pa r a me t er sa n d c o n t r oler d esig n sc h emes o f mo d ul a r mul t il e v e l c o n v e r t e r MMCin t h e s y s t e m w er e ma in l y in t r o d uc ed .Un d er g r o un d MMC-HVDCsy st em c o n sist so f t w o MMCsn a mel y r ec t if ier c o n v er t er a n d in v er t er c o n v er t er .Rec t if ier c o n v er t er a d o pt sd o ubl e c l o se d -l o o pc o n t r o l s t r uc t ur e o f f a st c ur r en t in n er -l o o pc o n t r o l a n d c o n st a n t DC v o l t a g ea n d c o n st a n t r e a c t iv epo w e r o ut e r -l o o pc o n t r o l ,a n d in v er t er c o n v er t e r a d o pt sc o n st a n t ACv o l t a g e 收稿日期收稿日期2019-05-24；修回日期修回日期 2019-11-24；责任编辑责任编辑李明。 基金项目基金项目国家重点研发计划资助项目“017YFC0804300 徐州市推动科技创新项目KC18076。 作者简介作者简介李山1979-,男，山东莱芜人，高级工程师，硕士，长期从事矿井供配电系统、输电线路、智能矿山规划设计工作，-ma ilSdSjy d q 163.c o m。通信作者潘涛1975-,男，江苏连云港人，教授级高级工程师，博士，现主要从事矿山智能化、信息化方面的研究工作, E-ma il pa n c umt 163. c o m。 引用格式引用格式李山，潘涛，倪春明，等井下柔性直流输电系统换流站设计工矿自动化2019,45126067. LI Sh a n ,P AN Ta o ,NI Ch un min g,et a l . Co n v er t er d esig n o f un d er g r o un d h ig h v o l t a g e d ir ec t c ur r en t sy st em[J In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n 2019 451260-67. 2019 12 李山等井下柔性直流输电系统换流站设计 61・ c o n t r o l . Bo t h MMCs a d o pt c a r r ier ph a se-sh if t P WM st r a t eg y a n d v o l t a g e eq ua l izin g st r a t eg y ba sed o n en er g y eq uipa r t it io n c o n t r o l a n d v o l t a g e ba l a n c e c o n t r o l . Simul a t io n exper imen t s o f t h e un d er g r o un d MMC-HVDC sy st em w er e c a r r ied o ut in P SCAD/EMTDC so f t w a r e. Th e r esul t s sh o w t h a t t h e un d er g r o un d MMC-HVDC sy st em h a s g o o d d y n a mic r espo n se in st ea d y -st a t e o per a t io n , r ea l izes in d epen d en t c o n t r o l o f a c t iv e a n d r ea c t iv e po w er , a n d impr o v es DC t r a n smissio n ef f ic ien c y . Wh en t h e sy st em is d ist ur bed by un d er g r o un d l o a d v a r ia t io n , it c a n r eg ul a t e a c t iv e a n d r ea c t iv e po w er r a pid l y a n d st a bil ize DC t r a n smissio n v o l t a g e, a n d st a bil ize a mpl it ud e a n d ph a se o f in v er t er c o n v er t e r o ut put v o l t a g e a t r a t ed v a l ues. Key words un d er g r o un d po w er suppl y; h ig h v o l t a g e d ir ec t c ur r en t sy st em; mo d ul a r mul t il ev el c o n v er t e r; f a st c ur r en t in n er -l o o p c o n t r o l; c o n st a n t DC v o l t a g e o ut er -l o o p c o n t r o l; c o n st a n t r ea c t iv e po w er o ut e r -l o o pc o n t r o l Zc o n st a n t ACv o l t a g ec o n t r o l 0引言引言 随着煤矿开采机械化水平日益提高，大量功率 较大的运输设备、采煤机组及其他电力电子设备应 用于煤矿生产，井下供电负荷增大，且供电距离随开 采深度及工作面长度的持续增加而增大，使得供电 系统有功损耗较大，且大量谐波导致负载侧存在电 压偏低和闪变等问题。为保证井下设备正常运行， 降低损耗、提高供电效率和电能质量迫在眉睫（1「2）。 相较于传统的交流输电系统，直流输电系统具 有线路造价低、使用寿命长、线路走廊窄、输电距离 远等优势。而基于模块化多电平换流站的柔性直流 输电（Mo d ul a r Mul t il ev el Co n v er t er -Hig h Vo l t a g e Dir ec t Cur r e n t，MMC-HVDC）系统不但具备传统的 直流输电系统特点，还具有谐波水平低、占地面积 小、可独立调节有功和无功功率、无换相失败问题、 无需加装滤波器等优势，具有广阔的应用前景「3）。 本文根据井下供电系统的发展要求，提出将MMC- HVDC 统应 大 率 统 重介绍了井下MMC-HVDC系统中MMC参数及 控制器设计方案，并通过在P SCAD/EMTDC软件 中搭建仿真模型，验证了井下MMC-HVDC系统及 其MMC设计的有效性。 1 MMC-HVDC系统结构系统结构 向无源网络供电的井下MMC-HVDC系统结 构如图1所示。该系统将左侧有源网络的电能通过 直流输电线路传输给右侧无源网络，包含2个换流 站MMC1为整流站，MMC2为逆变站。见为交流 图1 井下MMC-HVDC系统结构 Fig .1 St r uc t ur eo f un d er g r o un d MMC-HVDCsy st e m 电网电压，Z为无源网络侧负荷。 MMC拓扑结构如图2所示⑷。MMC有6个 桥臂，每个桥臂由N个子模块（SM）、1个桥臂电抗 L、1个桥臂电阻R。串联而成。每一相上下2个桥 臂组成1个相单元。子模块SM中，T1和T2为绝 缘栅双极型晶闸管（IGBT）,Di和D2为反并联二极 管，C。为SM直流侧电容，况sm为SM输出电压，Zsm 为流入SM的电流，冷为电容C。两端电压。通过 控制T1和T2的导通状态，SM输出电压cm在C 和0之间切换。 图 2 MMC 拓 结 Fig .2 MMCt o po l o g y 2 MMC数学模型数学模型 根据文献［5］建模方法，得到MMC简化等效模 型，如图 3 所示。其中 LsL L0/2,RsR0/2,L 为交流系统等效电抗；P ,N分别为MMC正负直流 母线；O为直流侧中性点；Uz，d c分别为MMC直流 侧电压和电流；如（D a ,b ,c ,表示a b c三相;p， n ,表示上下桥臂）为同一桥臂所有SM组成的桥臂 电压；h为桥臂电流；CsD为D相电网电压；Cd为 MMC交流侧输出电压,c Cukn ukp ）/2； ik为 MMC交流侧输出电流。 根据KVL定律，得k相上下桥臂电压方程 ・62・ 工矿自动化 45 图3 MMC简化等效模型 Fig .3 Simpl if ie MMCe q uiv a l en t mo e l Csk Ls 3 然后串联一阶惯性环节，以保证系统的抗干扰性能。 得定 无 率 外 环 控 制 P I 节 例 系数kp和积分时间常数Ti D 3. 5Ta v Csdk 32 H 2 Ta 4. 4 调制和均压策略 井下MMC-HVDC系统中MMC电平数不高, 因此采用载波移相脉宽调制方法［16「17］。该调制方 法可以较低的开关频率实现较高开关频率效果，且 输出电压谐波特性好，减小了滤波器体积。 根据文献［18］,将电容电压控制策略分为能量 均分控制和电压平衡控制，如图10、图11所示以 a相为例其中Cr f为电容电压参考值，Ca v为平均 电容电压实际值Zir e f为环流参考值8ir为MMC内 部环流，c；a 1,2，，N为各SM电容电压实际 值,kp7和kt分别为电压外环控制器P I调节器的比 例系数和积分系数，CS和CBa e f分别为能量均分控 制 和 压 平 衡 控制 容 压 平 衡 控制 节 。 2019 12 李山等井下柔性直流输电系统换流站设计 ・65・ 电压外环 电流内环 图12稳态下逆变站有功和无功功率 Fig . 12 Ac t iv e a n d r ea c t iv e po w er o f in v er t er c o n v er t er 图10能量均分控制 Fig .10 En er g y eq uipa r t it io n c o n t r o l 25.0 22.5 20.0 17.5 15.0 un d er st ea d y -st a t e 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t/s 图13稳态下逆变站直流母线电压 图11电压平衡控制 Fig .11 Vo l t a g e ba l a n c ec o n t r o l Fig .13 DCbus v o l t a g eo f in v er t er c o n v er t er 5 MMC-HVDC系统仿真实验系统仿真实验 在P SCAD/EMTDC中搭建向无源网络供电的 井下MMC-HVDC系统仿真模型，具体参数见表1。 表1井下MMC-HVDC系统仿真模型参数 Ta bl e 1 Simul a t io n mo d el pa r a met er s o f un d er g r o un d MMC-HVDC sy st em un d er st ea d y -st a t e Fig . 14 Qut put v o l t a g e o f in v er t er c o n v er t er 参数数值参数值 额定容量/MVA6载波频率/Hz 800 交流系统电压/kV10SM电容/-F2 400 交流系统等效电感/mH5桥臂电抗/H 0 01 额定直流电压/kV20给定SM电容电压/kV 1 66 统频率/Hz50级联SM个数 12 5. 1 系统稳态实验 无源网络初始有功和无功负荷分别为6 MW, 0。逆变站网侧相电压幅值参考值取1 p. u. （8. 16 kV）。 系统逆变站有功、无功功率和直流母线电压分 别如图12、图13所示。可看 统 稳定运行 状态时直流母线电压稳定，有功和无功功率稳定运 行 考值，系统 率较传统的交流 统 高。逆变站输出电压和电流（i2）仿真波形如图14、 图15所示。逆变站输出电压d轴分量，即逆变站输 出电压幅值（标幺值）如图16所示。从图14图16 看出，逆变站 压和电流基本呈三相对 J 正弦波形，且电压幅值基本稳定在1 p. u.。可见 MMC控制器可将逆变站输出电压幅值和频率稳定 在额定值,保证了 。逆逆变站桥臂SM电容 压波 图17所示，该波形验证了电容电压平衡 控制的有效性。 un d er st ea d y -st a t e Fig .15 Qut put c ur r en t o f in v er t er c o n v er t er un d er st ea d y -st a t e 1.4r 1.2 M 1.0 0.8- 0.6l 0.50.6 0.7 0.8 0.9 t/s 图16稳态下逆变站电压幅值 2.0「■桥臂1 ■桥臂2 桥臂3 ■桥臂4桥臂5 ■桥臂6 Fig .16 Vo l t a g ea mpl it ud eo f in v er t e r c o n v e r t er un d er st ea d y -st a t e 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t/s 图17稳态下逆变站上桥臂SM电容电压 Fig . 17 Ca pa c it o r v o l t a g e o f sub-mo d ul e in upper -a r m o f 1n v er t er c o n v e r t er un d er st e a d y -st a t e 实验结果表明，井下MMC-HVDC系统在稳态 运行时具有良好的动态响应，实现了有功和无功功 率独立控制，提高了直流 率,保证了 ・66・ 工矿自动化 45 的电能质量。 5. 2 有功、无功负荷变化扰动实验 在系统稳态实验设置基础上，系统运行到0. 6 s 时，有功和无功负荷分别增加3 MW,3 Mv a ro逆变 站有功和无功功率如图18所示，可见有功和无功功 率 均得 o逆变站直流母线电压如图19 所示，可看出0. 6 s后直流母线电压因有功负荷增 而减小，此时整流站定直流电压外环控制器快速 ，使得直流母线电压重新稳定在额定值。逆变 站输出电压和电流分别如图20、图21所示，电压幅 值（标幺值）如图22所示。可看出系统有功和无功 变 ，逆变站输出电压和电流仍基本呈三 相对称的正弦波，且输出电压幅值在微小波动后稳 定 1p.u. o 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t/s 图18扰动下逆变站有功和无功功率 Fig .18 Ac t iv ea n r e a c t iv e po w e r o f in v e r t er Fig .20 Qut put v o l t a g eo f in v er t er c o n v er t er un er ist ur ba n c e 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t/s 图21扰动下逆变站输出电流 Fig .21 Qut put c ur r en t o f in v er t er c o n v e r t er un er ist ur ba n c e 1.2- g i.o 们 *.. . .. 0.8-------------1-------------1-------------1-------------1 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t/s 图22扰动下逆变站电压幅值 Fig .22 Vo l t a g ea mpl it u eo f in v er t er c o n v er t e r un er ist ur ba n c e 实验结果表明，井下MMC-HVDC系统在供电 过程中，若突然受 变 扰动，可 以较 节有功和无 率， 统 要求，上 稳定直流 压，保证 L效 率，同 逆变站 压幅值和相位稳定在额 定值,保证了 。 6结语结语 为了提高煤矿电网的供电质量和输电效率，将 向无 络 MMC-HVDC系统应 煤矿 井下供电系统中，详细阐述了井下MMC-HVDC系 统中MMC拓扑结构、数学模型、参数及控制器设 计,并对其稳态和 扰动状态进行了仿真实 验 。 结果 统 实 有 和 无 率 立调节，提高 ，且在受 变 扰动 提 压支持，从而验证了系统 及其MMC设计的正确性。 参考文献References 1 吴文明，张生刚，王兵.浅谈煤矿供电系统存在的问题 及解决方法J.工矿自动化,2009,359 126129. 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