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閩江學院 基于MMC型電力電子變壓器能源互聯網實驗系統
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閩江學院 基于MMC型電力電子變壓器能源互聯網實驗系統

基于MMC型電力電子變壓器混聯能源互聯網用以實現多個電壓等級的交直流電源、負荷和儲能裝置之間的聯接,以及功率和電壓的精確控制,并在此基礎上拓展多種系統級運行和控制軟件應用。
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閩江學院(Minjiang University,MJU),簡稱“閩院”,坐落于福建省福州市。學校是由福建省人民政府舉辦的一所公辦高等院校、福建省重點建設高校、“服務國家特殊需求”專業碩士學位研究生教育試點高校、福建省一流學科建設高校、福建省“首批深化創新創業教育改革示范高校”、入選國家“雙萬計劃”

 

閩江學院  基于MMC型電力電子變壓器能源互聯網實驗系統

 

1.背景介紹

 

近年來,智能電網及能源互聯網的興起,也大力推動了電力電子技術在電力系統中的應用發展。智能電網體現了電力流、信息流和業務流的高度融合,以實現資源能源優化配置、系統經濟高效運行、靈活智能控制為目標,電力電子技術在智能電網建設中的分布式能量存儲、負荷響應資源的輔助服務方面都扮演重要角色。能源互聯網是智能電網的進一步拓展,是智能電網發展的終極形態。我國國家電網公司提出的“堅強智能電網”規劃,以及前國家電網公司董事長劉振亞提出的“全球能源互聯網”都是我國響應能源互聯網大趨勢的行動。

 

HVDC 技術的發展依賴于電力電子技術的進步,其發展過程可劃分為三代技術。第一代是基于汞弧閥的 HVDC 技術,該技術自1954年起共建設了十余個直流輸電工程。隨著半控型電力電子器件的成功研制,自1972年,基于晶閘管型電流源型換流器(Line commutated converter, LCC)的第二代 HVDC 技術開始了大規模發展,迄今已建設上百個工程,并成為大容量遠距離電力輸送的主要手段,其電壓和容量等級已提升至±1100kV/5500A。

 

第三代 HVDC 技術則是基于全控 型電力電子器件的電壓源型換流器(Voltage sourced converter, VSC)。雖然LCC-HVDC 在容量和電壓等級上占據絕對優勢,但VSC-HVDC 在可控性和靈活性上展現出一系列優點:交流側可連接弱電網甚至無源負荷、不存在換相失敗問題、可獨立快速地控制有功和無功功率、波形質量好、濾波器體積小、潮流反轉容易等?;谶@些靈活性特點,VSC-HVDC 在我國又被稱作為柔性直流輸電系統。

 

2.系統特點

 

相比傳統的兩電平、三電平變換器,MMC采用子模塊級聯的方式取代了IGBT器件的直接串聯,不存在IGBT的動態均壓問題,安裝維護容易,易于擴大容量。而相比CHB,MMC省去了移相變壓器,使子模塊數目與承載功率不再受限制,通過增加子模塊數目可靈活地擴展其電壓和功率等級。

 

基于MMC型電力電子變壓器混聯能源互聯網用以實現多個電壓等級的交直流電源、負荷和儲能裝置之間的聯接,以及功率和電壓的精確控制,并在此基礎上拓展多種系統級運行和控制軟件應用。

 

1)系統引入新型變壓器--電力電子變壓器(PET),代替傳統的電力變壓器。電力電子變壓器又稱固態變壓器,是一種結合電力電子變流技術與高頻變壓技術,實現兩種不同電力特征的電能之間轉換的靜止電氣設備。這種新型的變壓器除完成傳統變壓器基本的變壓與隔離功能之外,還可以實現對系統中電壓、電流的連續調節、綜合控制以及智能管理等功能;

 

2)搭建一套3KV(+-1.5kv偽雙極)的直流電壓系統,形成真正意義上的中壓系統,而非普通的1000V以下的系統,整體設備的參數、性能和保護更貼近實際;

 

3)實驗系統不僅能滿足本科高校傳統的“電路分析”、“電工基礎”、“電力電子技術”等有關課程實驗教學要求,還能夠滿足本科院校的電路創新、工程訓練、畢業設計及課程設計等功能要求。該設備適合作為高校培養應用型人才的基礎教學設備;還可以為師生搭建科研以及創新實踐的平臺。對提升教師的科研水平和學生創新實踐能力有較大的幫助;

 

4)系統并不局限于有效集成分布式能源,更具備能量管理與調度、電能質量治理與控制、支持各端口靈活地切除與投入(即插即用)、協同保護等作用。在主干電網的末端或關鍵連接點配置交直流混聯的多端口變換器系統,取代傳統模式下各種能源或負載直接接入電網的方式;

 

5)系統中既包含交流母線,又具備直流母線,兩種母線混合在一起,可提供更多的研究實驗和更靈活的能量管理策略;

 

6)可實現智能并離網(并網與孤島狀態)切換,既可以并網運行,也可以孤網運行,實現無縫切換,且多種運行模式相互自動或手動方式切換。各子系統可以獨立完成相關的實驗;

 

7)集成并/離網切換、黑啟動、功率平滑、時移、故障診斷、離網功率平衡控制、有功/無功功率控制、電壓/頻率響應特性控制、保護等功能。實現微電網整體系統數據監控、數據采集、設備管理、功率控制、電能質量監測、能效評估、用電計劃設定,經濟性分析等;

 

8)配置分級保護和計量裝置,在微電網內部故障、外部故障情況下,均保證其準確、快速動作,使系統安全運行;

 

9)針對高校學生,充分考慮了學生的具體知識結構與層次,使得學生可以充分理解系統的特點與結構;學生可以在本系統中進行系統的設計、安裝、軟件控制等多個專業的知識進行實訓;

 

10)針對做科研的老師,開放部分一次側設備的軟硬件資料,包括板級硬件圖紙以及軟件驅動源代碼、算法源代碼等,開放上位機軟件的源代碼程序。提供整體的系統的基礎開發平臺,方便用戶二次開放,提供詳細而豐富的培訓課程,使用戶可快速入門并掌握整體系統,大大提高科研實驗的效率;

 

11)自主研發的RCP快速原型仿真控制器,實現數字物理混合仿真。

 

 

3.系統架構

 

系統由入戶配電、中壓配電升壓、中壓配電保護、3kV模塊化多電平MMC變流、雙有源隔離DCDC變流、光伏模擬系統、風力模擬系統、儲能系統、負載系統、充電樁系統等組成,詳見下圖:

 

 

基于MMC型電力電子變壓器能源互聯網實驗系統整體架構

 

4.系統亮點

 

基于 MMC 結構的電力電子變壓器

 

模塊化多電平變換器(modular multilevel converter,MMC)是級聯型多電平換流器中的一種新型結構,在中高壓應用領域具有很大的優勢。與目前主要的二極管鉗位型等多電平拓撲相比,MMC 可以用在電平數很高的情況下,并且損耗小、輸出諧波小、冗余性好。相比于級聯 H 橋結構,MMC 中的直流母線可避免電容分散而引起的中頻變壓器數目較多的問題。MMC 每個子模塊結構簡單,控制相對容易,可以無限拓展?,F階段 MMC 在高電壓、大電流應用領域已有直流輸電的工程實例。

 

如下圖所示為模塊化多電平變換器(MMC)的基本拓撲。其由三個相單元構成,各單元均包括上、下兩個橋臂,每一橋臂由 N 個相同的子模塊(sub-module,SM)串聯,經限流電抗器與交流側連接。加入限流電抗器有兩個目的,一是可以減小相電流變化率,使其平滑;二是抑制橋臂與直流側之間和三相橋臂之間的環流。

 

模塊化多電平變換器(MMC)的基本拓撲

 

MMC總體結構圖

 

所搭建的三相MMC變流器,其最大功率和電壓等級為 100kW/3kV,MMC 直流側電壓 3kV,每個子模塊電容電壓0.4kV,每個橋臂含子模塊個數為 N=4,每相共 8 個子模塊。分別為一個控制柜,一個進線柜,以及三個功率柜。其中控制柜中安裝了系統的總控制電路、PLC、液晶顯示屏、繼電器、接觸器等控制元件;進線柜中包含系統的交流接線端、直流接線端,以及 2 個三相電抗器、啟動電阻、電壓電流檢測等元件;而每個功率柜中均包含 8 個結構相同的子模塊。 

 

 

控制系統設計

 

控制系統結構如圖所示。其中控制器采用高性能DSP,主要進行控制算法與參考指令的計算,同時應用FPGA 實現載波移相調制并將生成的開關信號通過光纖傳輸到每個子模塊中,控制相應的 IGBT 實現開通或關斷;采用 IO實現樣機中各繼電器、接觸器的控制;此外,采用觸摸屏顯示系統的工作狀態并作為人機交互的接口。最終設計制作的控制系統電路實物圖如圖所示。 

 

 

子模塊設計

 

每個子模塊的電路結構如圖所示。每個子模塊由兩個 FF300R17KE3型 IGBT 模塊和一組電容器構成,從而子模塊可靈活配置成半橋或全橋結構。每個子模塊均由一個 CPLD 進行管理,該 CPLD 通過光纖通信接收控制系統發來的 PWM 信號,驅動相應的 IGBT 開通或關斷,同時檢測子模塊的運行狀態(如子模塊電容電壓、 IGBT 溫度等),并將該狀態由光纖通信發送給控制系統,保證每個子模塊均能夠可靠運行。

 

 

MMC模塊參數:

 

1.三相六橋臂,采用多模塊PEBB組合結構;

2.系統容量:100kVA;

3.系統直流輸出電壓:±1.5kV(偽雙極3kV);

4.系統交流輸入電壓:AC2kV;

5.系統具有軟啟功能,啟動沖擊電流:≤50A;

6.功率模塊采用自取電方式;

7.三相六橋臂,每個橋臂含子模塊個數為 N=4,每相共8個子模塊,三相共計24個模塊;

8.IGBT電壓/電流等級:≥1200V/50A;

9.取能電源工作范圍:DC200V~DC900V;

10.控制器采用高性能DSP,主要進行控制算法與參考指令的計算;

11.模塊選擇半橋拓撲來使用;

12.模塊內部集成了驅動及采樣電路; 

13.模塊板載硬件、軟件雙重保護,過壓、過流保護;

14.子模塊為插拔式,配套4U機箱,方便組柜,美觀大方;

15.子模塊電容和橋臂電感的取值可以靈活調整;關鍵測量點引出;

16.LED燈指示電源、運行、故障等狀態;

17.開放模塊硬件接口和定義,開放JTAG編程接口,提供半實物控制器接口及轉換板。

 

4.2 雙有源全橋雙向DC-DC變換器

 

雙有源全橋雙向DC-DC變換器具有控制方式靈活、動態響應快、模塊化對稱結構易于串并聯拓展、能夠適應高/低壓變換、具備能量雙向流動能力等大量優點。隨著碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等新一代寬禁帶功率器件材料的發展,變換器裝置的性能和可靠性將不斷提升。

 

廣泛應用的典型拓撲為諧振型雙有源全橋雙向DC-DC變換器,如圖所示。通過諧振網絡來代替非諧振型DAB變換器中的漏感,使得諧振腔的電流近似為正弦波,與非諧振式拓撲中的線性電流相比,使得電流諧波更小,減少了高頻變壓器的渦流損耗。諧振型變換器與非諧振型變換器相比可以允許工作在更高的開關頻率,且不依靠環流實現軟開關,減小了環流帶來的通態損耗。

 

 

DAB模塊參數:

 

1.方案采用偽雙極結構;

2.系統容量:30kW;

3.高壓側直流電壓:±1.5kV;

4.低壓側直流電壓:±375V(偽雙極);

5.功率模塊開關頻率≥10KHz;

6.額定模塊個數:≥3個;

7.IGBT電壓/電流等級:≥1200V/50A;

8.取能電源工作范圍:DC400V~DC1500V;

9.采用LLC拓撲;

10.控制器采用 TMS320C6000型 DSP,主要進行控制算法與參考指令的計算;

11.模塊內部集成了驅動及采樣電路; 

12.模塊板載硬件、軟件雙重保護,過壓、過流保護;

13.子模塊為插拔式,配套4U機箱,方便組柜,美觀大方;

14.LED燈指示電源、運行、故障等狀態;

15.開放模塊硬件接口和定義,開放JTAG編程接口,提供半實物控制器接口及轉換板。

 

 

4.3 高性能快速原型控制器—SP6000

 

YXSPACE-SP6000(以下簡稱SP6000)為DSP+FPGA架構,采用TI公司的C6000系列DSP作為核心控制器,多個FPGA作為輔助控制器。C6000系列DSP屬于高端、綜合DSP,常規經常應用于復雜工業控制或者圖像處理領域。C6000系列DSP具高主頻以及高浮點處理能力,高于常規C2000系列的近幾十倍。適用于更加復雜的控制場合。

 

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正是由于其處理能力強的特點,SP6000除RCP功能之外,還可以完成HIL仿真,即半實物仿真??梢詫⒈豢貙ο箅娐纺P拖螺d到SP6000中進行實時仿真,目前已完成測試的拓撲包括Boost、Buck、H橋、三相兩電平全橋、隔離型DCDC以及PMSM等,其支持的最小仿真步長可以達到5us,完全可以滿足驗證性實驗。

 

板卡資源:

 

SP6000仿真機,采用插卡式結構,基本配置包含CPU板卡、2塊模擬采集ADC板卡、模擬輸出DAC板卡、數字輸出DO板卡、數組輸入DI板卡、兩塊脈寬調制PWM板卡、正交編碼QEP/捕獲CAP板卡。其板卡配置安裝圖如下:

          

 

項目現場:

 

 

 

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