CC BY
118УДК: 621.314
Олейникова Анна Михайловна аспирант, Санкт-Петербургский горный университет, 199106, РФ, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия, д.2
Р01: 10.24411/2520-6990-2019-10336 ТОПОЛОГИИ И ПРИМЕНЕНИЕ МОДУЛЬНЫХ МНОГОУРОВНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Oleynikova Anna
postgraduate student, Saint-Petersburg Mining University 199106, Russia, St Petersburg, 21st Line, 2
TOPOLOGIES AND APPLICATION OF MODULAR MULTILEVEL CONVERTERS
Аннотация.
Данная обзорная статья в основном ориентирована на топологии и применение модульных многоуровневых преобразователей (ММС). Представлены основные топологии коммутационных модулей для нормальной работы и устранения неисправностей постоянного тока. Описаны методы для поддержания баланса напряжения конденсатора, основные приложения в передаче высокого напряжения постоянного тока (HVDC) наряду с другими приложениями среднего и низкого напряжения.
Abstract.
This review article is mainly focused on the use of modular multi-level converters (MMS). The basic switching module topologies for normal operation andfor the elimination of DCfaults are presented. Methods are described for maintaining the voltage balance of a capacitor, the main applications in the transmission of high voltage direct current (HVDC) along with other applications of medium and low voltage.
Ключевые слова: модульный многоуровневый преобразователь, балансировка напряжения на конденсаторе, топологии коммутационных модулей, короткое замыкание постоянного тока.
Keywords: modular multilevel converter (MMC), capacitor voltage balancing, switching modules topologies, DC short circuit.
1. Введение
Передача постоянного тока высокого напряжения (HVDC) всегда осуществлялась с использованием управляемого тиристором линейного коммутатора (LCC). Однако у него есть несколько ограничений: в нем используются полупроводники, которые не могут быть отключены автономно, внешнее напряжение должно подавать реактивную мощность для создания полупроводникового переключения, ЬСС работает только с отстающим коэффициентом мощности и не может использоваться в изолированных системах.
Позднее использовался преобразователь источника напряжения (VSC), выполненный на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). Технология У8С имеет несколько преимуществ перед LCC: в нем используются полупроводники, которые могут включаться и выключаться автономно, преобразователь может подавать реактивную мощность, он может работать как с отстающим, так и опережающим коэффициентом мощности и может использоваться в изолированных системах.
При использовании двухуровневой топологии VSC возникает несколько проблем:
• высокий плеча преобразователя и полупроводников;
• большие напряжения и перенапряжения в полупроводниках;
• выделение электромагнитного излучения и трудности в конструкции преобразователя;
• с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ): большие потери мощности в полупроводниках и использование громоздких и дорогих пассивных фильтров;
• трудно ограничить короткое замыкание постоянного тока.
Для улучшения этих аспектов использовался многоуровневый VSC. Однако он имеет серьезные ограничения, такие как недостаточная масштабируемость в промышленности и ограниченное количество уровней напряжения. Модульный многоуровневый преобразователь (MCC) (рис. 1), впервые представленный Лесничаром и Марквардом, значительно улучшает эти проблемы:
• ток в плече протекает непрерывно, избегая высокого di ^ переключения VSC;
• значительное снижение потерь мощности и потребностей в фильтрации;
• емкость распределяется между подмодулями каждого плеча;
• при увеличения используемых уровней сложность существенно не изменяется;
• токи короткого замыкания на стороне постоянного тока меньше, что делает их более подходящими для многоконтактных сетей HVDC.
Поскольку MMC представляет собой многоуровневый преобразователь, то генерируемые гармоники напряжения меньше, чем в двухуровневом преобразователе, что снижает значения реактивных составляющих фильтра, которые в некоторых случаях могут быть устранены. При использовании
большого количества модулей частота переключения модулей уменьшается, а потери на переключение в преобразователе сводятся к минимуму.
При больших расстояниях (больше 400-700 км на суше и 50-60 км по морю), передача постоянного тока дешевле передачи переменного тока. Для передачи постоянного тока требуется меньше кабелей, но требуется наличие электронных преобразователей. Другим ограничением передачи перемен-
ного тока является реактивная энергия, которая потребляет индуктивность линии, что для передачи на большие расстояния становится существенным фактором. MMC впервые был коммерчески использован в проекте Trans Bay Cable в Сан-Франциско. Протяженность кабельной линии, связывающей города Питтсбург и Сан-Франциско, составила 85 км, передача электроэнергии осуществлялась на напряжении ±200 кВ.
Рис. 1. Структура модульного многоуровневого преобразователя
2. Топологии подмодулей
Первой топологией подмодуля, представленной для ММС (Лесничаром и Маквардом), была полумостовая топология (рис. 2а). Полумостовой подмодуль состоит из двух коммутационных устройств и конденсатора. Коммутационные устройства состоят из соединенных встречно-параллельно ЮБТ-транзисторов и диода. В зависимости от направления тока конденсатор может заряжаться или разряжаться.
В случае короткого замыкания постоянного тока полумостовая топология отключает все ЮВТ, и возникает ток короткого замыкания, который является отношением между напряжением переменного тока и полным сопротивлением индуктивности плеча. Топология полного моста (рисунок 2, б) позволяет играть активную роль в случае отказа. Эта топология ведет себя так же, как полумостовая топология при нормальной работе. Проблема топологии с полным мостом заключается в том, что при
устранении неисправностей происходит двойная потеря мощности при нормальной работе.
Можно определить три возможных состояния переключения:
• во включенном состоянии Т1 работает, а Т2 выключен. Выходное напряжение подмодуля V™ равно напряжению конденсатора V;. Конденсатор заряжается, если ток плеча положительный и разряжается в противном случае.
• в состоянии «байпас» Т2 включен, а Т1 выключен. Выходное напряжение подмодуля Упм равно нулю, а напряжение на конденсаторе является постоянным, то есть конденсатор не заряжается и не разряжается.
• в отключенном состоянии оба транзистора заперты, и ток может проходить только через диоды. Конденсатор будет заряжаться, если ток положительный, и в идеале он не может разрядиться.
(а) (б)
Рис. 2. Топологии подмодулей: (а) полумостовая (HB), (б) с полным мостом (FB)
Другие топологии, которые включают в себя дополнительные компоненты, были введены для управления короткими замыканиями на стороне постоянного тока. Топология подмодуля Double Clamp (рис.3, а) эквивалентна двум полумостам плюс дополнительный IGBT T5. При нормальной работе IGBT T5 находится в проводящем состоянии, но он отключается во время отказа постоянного тока, что позволяет двум конденсаторам противостоять отказу.
Другие топологии для уменьшения влияния непродолжительного короткого замыкания постоянного тока включают тиристоры. Первая включает
в себя подключенный параллельно D2 тиристор (рис.3, б), который срабатывает при обнаружении неисправности. Затем ток течет через тиристор вместо D2 из-за более высокого Й тиристора. Проблема заключается в том, что присутствует эффект выпрямления между переменным и постоянным током через диоды D2. Чтобы избежать этого, была предложена топология с двумя тиристорами (рис.3, в), которая вызывает короткое замыкание в переменном токе, ограниченное индуктивностью ветви; когда сбой постоянного тока устранен, IGBT снова получают управление.
Рис. 3. Топологии подмодуля, используемые для уменьшения коротких замыканий постоянного тока: (a) подмодуль double clamp; (б) топология с тиристором на входе подмодуля; и (c) топология с двумя тиристорами на входе подмодуля
3. Балансировка емкостей
Конденсаторы в подмодулях изменяют свое напряжение в зависимости от тока, протекающего через подмодуль. Напряжение подмодуля должно поддерживаться примерно равным его теоретическому значению VDc/n. Для этого необходимо измерить напряжение подмодуля и принять соответствующие меры для поддержания напряжения в этом значении. В противном случае напряжения на конденсаторе будут становиться все более и более
несбалансированными, а выходное напряжение переменного тока не будет контролироваться.
Для балансировки напряжений конденсаторов были использованы различные типы алгоритмов. Когда используется комбинация усредненного управления и сбалансированного управления, возможно сбалансировать напряжение на конденсаторах без использования какой-либо внешней цепи. Прогностический контроль, основанный на минимизации функции затрат, позволяет сбалансировать
напряжения на конденсаторе, минимизировать циркулирующие токи и совместно управлять переменными токами в различных условиях эксплуатации. Метод, который не требует измерения тока в каждом плече, исключает использование датчиков тока, снижает затраты и упрощает алгоритм управления балансом напряжения. Наиболее часто используемый алгоритм измеряет напряжения на конденсаторах и выбирает подмодули, которые должны быть включены, в зависимости от направления тока. Пример представлен на рис. 4, в случае 5 подмодулей на плечо, где целью является сохранение напряжения конденсатора на уровне 800 В. Полагая, что требуемое выходное напряжение
равно -Уво/2 + 2Уво/5 = -4000/2 + 2 4000/5 = -400 В, требуются Пверх=3 и Пниж=2. В этом примере напряжения верхнего и нижнего плеч будут сбалансированы. В верхнем плече должны быть включены три подмодуля, выбранные в соответствии с направлением тока /вп подмодуля. В зависимости от того, является ли он положительным или отрицательным, он увеличивает или же уменьшает напряжение подмодуля. Когда ток положительный, подмодули, имеющие меньшее напряжение, включаются для зарядки, если ток отрицательный, то подмодули, у которых самое высокое напряжение, включены на разряд.
Рис. 4. Пример балансировки емкостей
4. Применение
Основное применение MMC - передача постоянного тока высокого напряжения (HVDC), хотя технология MMC применяется и в других устройствах, таких как распределительный статический синхронный компенсатор (D-STATCOM) и инвертор низкого напряжения.
4.1. HVDC
Топологиями преобразователя, используемыми в HVDC, были сначала LCC, а затем VSC. В настоящее время используются ММС, их устанавливают крупные энергетические компании, такие как Siemens, ABB или Alstom. HVDC используются для соединения высоковольтных сетей переменного тока и подключения морских ветряных электростанций к суше.
Большинство преобразователей используют топологию с большим количеством каскадных полумостовых подумодулей в симметричной монополярной конфигурации. Подавляющее большинство оффшорных приложений, созданных или запланированных в последние годы, были в Германии, что связано с созданием многочисленных морских ветряных электростанций. Для уровня напряжения HVDC ± 320 кВ обычно требуется n = 38 полумостовых подмодулей на плечо. Каждый подмодуль переключается на низкую частоту приблизительно 150 Гц, поэтому потери малы, но ступенчатое пере-
ключение подмодулей делает эффективную частоту на фазу более 10 кГц, что значительно снижает потребность в фильтрации в переменном токе.
Подключение сетей переменного тока через НУБС происходит в нескольких случаях:
• подключение сетей различных частот (50 и 60 Гц);
• подключение асинхронных сетей;
• соединение островов с материком;
• соединение континентальных сетей, которые имеют меньшее расстояние по морю, чем по суше;
• подключение слабых сетей, в которых преобразователи обеспечивают обслуживание сети за счет ввода реактивной мощности.
4.2. Б^ТАТСОМ
Распределительные линии среднего напряжения часто имеют проблемы компенсации реактивной мощности, колебаний напряжения, несимметричности и гармоник. В слабых линиях изменения напряжения происходят из-за запуска или остановки мощных двигателей или из-за перегрузки/дефекта. Несимметричность возникают из-за приложения однофазных нагрузок и асимметричных неисправностей. Гармоники мотивированы наличием нелинейных нагрузок и насыщением трансформаторов. Б^ТАТСОМ используется для улучшения этой ситуации благодаря большой способности реактивной компенсации и регулирования напряжения.
Для D-STATCOM обычно используется топология Н-моста из-за легкости получения большого количества уровней, но она имеет ограничения при несимметричности нагрузки или сети. Поэтому были предложены решения на основе ММС, так как они обладают большей степенью свободы для осуществления контроля и большей мощностью.
Использование ММС с большим количеством уровней позволяет подключаться к сети без использования трансформатора. Внешний конденсатор, который поддерживает напряжение постоянного тока, не требуется, так как эта функция выполняется конденсаторами в подмодулях. Интересным конкретным приложением для D-STATCOM на базе ММС могло бы стать улучшение качества электроэнергии в железнодорожных тяговых системах.
4.3. Низковольтный многоуровневый инвертор
ММС используются в приложениях низкого напряжения постоянного тока (ЬУЭС) и приводах генераторов. Некоторые приложения, такие как электроснабжение, перезарядка электромобилей и авиакосмическая промышленность, требуют высокого уровня производительности, качества электроэнергии и электромагнитных помех. Они могут быть достигнуты с помощью ММС, изготовленных из полевых транзистора на основе карбида кремния фС MOSFET). Использование MOSFET вместо ЮВТ способно снизить коммутационные потери, а использование синхронного выпрямления снижает потери на проводимость. Топология MOSFET ММС сравнивалась с классическими многоуровневыми топологиями с такими преимуществами, как уменьшение фильтра, более простое резервирование и снижение потерь мощности, что делает ее более подходящей топологией для «умных» домов.
5. Выводы
Технология ММС сместилась в сторону классических топологий LCC и VSC и была признана в качестве предпочтительного решения для выполнения линий НУОС основными установочными компаниями. Однако она также была предложена в качестве решения для реализации многоуровневых преобразователей среднего и низкого напряжений. Наиболее важные приложения высокого напряжения - это подключение электрических транспортных сетей и подключение крупных морских ветровых электростанций к наземной сети.
Хотя топология, обычно используемая для подмодулей - это полумостовая, она не способна уменьшить короткое замыкание постоянного тока.
Топология полного моста, также используемая производителями, способна устранять сбои постоянного тока с другими топологиями, которые могут использоваться для этой цели. Это станет важным в будущем при создании многоконтактных сетей постоянного тока.
Для правильной работы MMC напряжение на конденсаторах подмодулей должно оставаться постоянным. Конденсаторы можно заряжать или разряжать током плеча, включив соответствующий подмодуль. Наиболее часто используемый метод балансировки был подробно разобран.
Наиболее важным применением MMC является передача постоянного тока высокого напряжения для создания морских соединений (земля-земля, ветряная электростанция-земля), а также для соединения сетей различных частотных и асинхронных сетей. В будущем ожидается, что MMC станет технологией, используемой в новых установках HVDC, что она значительно расширит свое присутствие в коммерческих приложениях среднего напряжения и что она увеличит свое присутствие в приложениях низкого напряжения на исследовательском уровне.
Очень важным применением является подключение морских ветряных электростанций к передающей сети. Конечные станции могут быть синхронизированы с использованием систем связи или работать независимо, следуя определенным правилам. В будущем ожидается исследование того, как соединить отдельные турбины и группы турбин для получения HVDC.
Список литературы:
1. Larruskain, D.M.; Zamora, I.; Abarrategui, O.; Iturregi, A. VSC-HVDC configurations for converting AC distribution lines into DC lines. Int. J. Electr. Power Energy Syst. 2014, 54, 589-597.
2. Marquardt, R. Modular Multilevel Converter topologies with DC-Short circuit current limitation. In Proceedings of the 8th International Conference on Power Electronics—ECCE Asia, Jeju, Korea, 30 May-3 June 2011; pp. 1425-1431.
3. Martinez-Rodrigo, F.; Ramirez, D.; Rey-Boue, A.B.; De Pablo, S.; Herrero-de Lucas, L.C. Modular Multilevel Converters: Control and Applications. Energies. №10, 2017, 1709
4. Montilla-DJesus, M.; Santos-Martin, D.; Ar-naltes, S.; Castronuovo, E.D. Optimal reactive power allocation in an offshore wind farms with LCC-HVdc link connection. Renew. Energy 2012, 40, 157-166.
