模塊化多電平換流器(MMC)原理簡(jiǎn)介

1、基本原理基本原理在電網(wǎng)中，有功功率從相位超前側(cè)流向相位滯后側(cè)，無(wú)功功率由電壓幅值高在電網(wǎng)中，有功功率從相位超前側(cè)流向相位滯后側(cè)，無(wú)功功率由電壓幅值高側(cè)側(cè)流向流向幅幅值低側(cè)！值低側(cè)！UIUCUS基本原理基本原理UUCUSUcUsULUC US時(shí)時(shí), I 為容性為容性ItUUCUStUSUCULUC 0UC投入投入21000切除切除4010UC閉鎖閉鎖60000具體開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所述。表1 子模塊的工作狀態(tài)表1 子模塊的工作狀態(tài)MMC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)橋臂電感橋臂電感LarmLarm設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)橋臂電感作用1、交流連接電感2、抑制相間環(huán)流3、抑制短路電流2

2、2、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)橋臂電感橋臂電感LarmLarm設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)由于交流側(cè)的三相線電壓有效值為10 kV，即相電壓有效值為5.77 kV。由于直流電壓為20 kV，則MMC輸出的交流相電壓有效值最大為7.07 kV。2.5 Mvar,零功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，允許電感上的壓降最大為此時(shí)，允許的網(wǎng)側(cè)電感最大值為1.3 kV/(250 Hz145A)=28.6 mH。在初始引進(jìn)技術(shù)資料中取值20mH。7.075.771.3kVkVkV2 2、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)橋臂電感橋臂電感LarmLarm設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電感量越大，電流波形越好控制、并網(wǎng)沖擊越小、環(huán)流抑制越方便，但是電感壓降越大、成本越高

3、。因?yàn)樾枰嗟墓β蕟卧尾拍馨l(fā)出同等無(wú)功功率。電感量越小，柜體體積和成本越低，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對(duì)控制算法提出更高要求。通過(guò)電科院動(dòng)模試驗(yàn)，目前已經(jīng)把橋臂電感量從20mH下降到5mH。實(shí)際上在系統(tǒng)仿真模型中，橋臂電感量可以達(dá)到3mH并且系統(tǒng)保持穩(wěn)定。2 2、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)功率模塊直流電容功率模塊直流電容模塊電容參數(shù)的大小直接決定了電容電壓的波動(dòng)范圍。在額定工況下，由于功率模塊直流電容的額定電壓為2000 V，按照紋波系數(shù) =5%，則直流電容C應(yīng)滿足：因?yàn)楸敬卧囼?yàn)方式受到時(shí)序限制，所以設(shè)置功率模塊直流電容10mF。mFUICSMacPM6.42000%5100457842

4、2、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)2 2、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)- -減小電容后波形減小電容后波形2 2、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)- -增加電容后波形增加電容后波形目前的控制方法，能夠滿足：目前的控制方法，能夠滿足：1 1、在、在1-50Hz1-50Hz變頻工況，功率單元按照變頻工況，功率單元按照30uf/A30uf/A電容設(shè)置，裝置保持穩(wěn)定電容設(shè)置，裝置保持穩(wěn)定2 2、在、在50Hz50Hz定頻工況，功率單元按照定頻工況，功率單元按照15uf/A15uf/A電容設(shè)置，裝置保持穩(wěn)定電容設(shè)置，裝置保持穩(wěn)定如果控制方式能夠達(dá)到在如果控制方式能夠達(dá)到在1-50Hz1-50Hz變頻工況，

5、功率單元按照變頻工況，功率單元按照10uf/A10uf/A電容設(shè)置，裝置保持穩(wěn)定。那么就可以考慮功率單元按照薄膜電容代替電電容設(shè)置，裝置保持穩(wěn)定。那么就可以考慮功率單元按照薄膜電容代替電解電容。解電容。2 2、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)4 4、MMCMMC控制策略控制策略【總體控制功能設(shè)計(jì)】外環(huán)控制器：換流器1作為從站，換流器2作為主站，高壓直流電壓（額定極間電壓20 kV）由換流器1從站負(fù)責(zé)控制，兩站之間的有功功率可以反轉(zhuǎn)，兩站各自的無(wú)功功率控制相互獨(dú)立。換流器1為直流電壓環(huán)+無(wú)功功率給定；換流器2為有功功率給定+無(wú)功功率給定；5 5、MMCMMC功率模塊均壓控制功率模塊均壓控制每個(gè)MM

6、C換流器的功率模塊電壓的分別進(jìn)行均衡控制，6個(gè)橋臂相互之間沒(méi)有影響。在一個(gè)控制周期內(nèi)，則根據(jù)橋臂電流的方向確定此橋臂功率模塊的投入/切除狀態(tài)：（a）若橋臂電流為投入的模塊電容充電，則功率模塊按照電容電壓從低到高的順序排列，最低的N個(gè)模塊在該控制周期內(nèi)一直處于投入狀態(tài)。（b）若橋臂電流為投入的模塊電容放電，則功率模塊按照電容電壓從高到低的順序排列，最高的N個(gè)模塊在該控制周期內(nèi)一直處于投入狀態(tài)。柔性直流輸電3、用途介紹、用途介紹#1#2R=00.0385 H110KV側(cè)短路容1000MVA等效電感 0.03853 MVAR#1#2R=00.0385 Hrectifye1le1re2rinverte

7、re1le2le1rDC110 MWA端電網(wǎng)B端電網(wǎng)Idc四象限高壓變頻器，帶繞線異步電機(jī)3、用途介紹、用途介紹VA#1#2R=00.0385 H3 MVARrectifye1le1re2rinvertere1le2le1rDC1STLI MWIabcRrotor+Rrotor+Rrotor+0.00TloadIdc四象限高壓變頻器，帶繞線異步電機(jī)3、用途介紹、用途介紹2526二、交流調(diào)速系統(tǒng)的分類(lèi)二、交流調(diào)速系統(tǒng)的分類(lèi)交流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī) 同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī) 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及及開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)磁

8、阻電動(dòng)機(jī)都滿足都滿足“定子電流的頻率與轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格定子電流的頻率與轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格比例關(guān)系比例關(guān)系”的條件，所以也把它歸入的條件，所以也把它歸入同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)的定子繞組通入交流電交流電動(dòng)機(jī)的定子繞組通入交流電( (或周期脈沖電流或周期脈沖電流) )后，其定子磁動(dòng)后，其定子磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)勢(shì)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)( (或步進(jìn)旋轉(zhuǎn)或步進(jìn)旋轉(zhuǎn)) )的磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)?shù)拇艅?dòng)勢(shì)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子電流的電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率有嚴(yán)格比例關(guān)系頻率有嚴(yán)格比例關(guān)系的電動(dòng)機(jī)稱(chēng)的電動(dòng)機(jī)稱(chēng)同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)，無(wú)嚴(yán)格比例關(guān)系的電動(dòng)機(jī)，無(wú)嚴(yán)格比例關(guān)系的電動(dòng)機(jī)稱(chēng)稱(chēng)異步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)。271 異步電動(dòng)機(jī)的電路等效原理圖

9、異步電動(dòng)機(jī)的電路等效原理圖勵(lì)磁電阻勵(lì)磁電抗，轉(zhuǎn)子電阻，定子電阻：轉(zhuǎn)子漏抗，漏抗，：mmrxrrxx2121定子28一、固有機(jī)械特性一、固有機(jī)械特性1 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性)1 (60)1 (10spfsnn異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速22cosICTTi轉(zhuǎn)矩物理表達(dá)式22122112211122211/2/xxsrrfsrpUmsrImPTem轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式29很小2cos 大很多比轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子漏抗2222rLxo222290/接近rLarctg起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子中的電勢(shì)、起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子中的電勢(shì)、電流的頻率電流的頻率等于或接近等于或接近于電源頻率于電源頻率12ff很大2I并不大22cosI電流

10、較大時(shí)，定子漏抗上的壓降增大電流較大時(shí)，定子漏抗上的壓降增大 減小感應(yīng)電勢(shì)1E減小磁通起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大 22cosICTTi30stTemTs10曲線)(sfT 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式 曲線 sfT 有曲線段和直線段組成，以最大轉(zhuǎn)矩有曲線段和直線段組成，以最大轉(zhuǎn)矩 為界。為界。mT31二、起動(dòng)時(shí)應(yīng)減小起動(dòng)電流，增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩二、起動(dòng)時(shí)應(yīng)減小起動(dòng)電流，增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 降低起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子回路中的降低起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子回路中的 與與 的比值的比值 2x2r2cos提高變頻起動(dòng)，在較低的頻變頻起動(dòng)，在較低的頻率下起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使起率下起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使起動(dòng)時(shí)的動(dòng)時(shí)的 減小減小 2x轉(zhuǎn)子

11、回路串入轉(zhuǎn)子回路串入電阻，增加電阻，增加 2r1、繞線式異步電機(jī)、繞線式異步電機(jī)32二、起動(dòng)時(shí)應(yīng)減小起動(dòng)電流，增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩二、起動(dòng)時(shí)應(yīng)減小起動(dòng)電流，增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 大容量繞線電機(jī)軟啟動(dòng)裝置例如水阻啟動(dòng)、干阻啟動(dòng)等，原理都是在電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入電阻，增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。業(yè)內(nèi)以追日、萬(wàn)洲、大力等為龍頭的襄樊軟啟動(dòng)企業(yè)，占據(jù)全國(guó)大部分的市場(chǎng)份額。 1、繞線式異步電機(jī)、繞線式異步電機(jī)332、鼠籠型異步電機(jī)、鼠籠型異步電機(jī)在不影響在不影響“能起動(dòng)能起動(dòng)”的前提下，盡可能的前提下，盡可能減小起動(dòng)電流，減小起動(dòng)電流，以減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊 降壓起動(dòng)（起動(dòng)電流減小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓平方減?。?/p>

12、降壓起動(dòng)（起動(dòng)電流減小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓平方減?。?1 自耦變壓器降壓起動(dòng)自耦變壓器降壓起動(dòng) 轉(zhuǎn)換起動(dòng)Y23 定子回路串電抗器起動(dòng)定子回路串電抗器起動(dòng) 4 用晶閘管構(gòu)成的交流調(diào)壓器降壓起動(dòng)用晶閘管構(gòu)成的交流調(diào)壓器降壓起動(dòng) 342、鼠籠型異步電機(jī)、鼠籠型異步電機(jī)某些特種電機(jī)，利用某些特種電機(jī)，利用“擠流效應(yīng)擠流效應(yīng)”設(shè)計(jì)深槽轉(zhuǎn)子電機(jī)，或雙鼠籠轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)深槽轉(zhuǎn)子電機(jī)，或雙鼠籠轉(zhuǎn)子電機(jī)。原理都是提高起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻，增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到降子電機(jī)。原理都是提高起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻，增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到降低啟動(dòng)電流的目的。但是這些方式會(huì)增加有功功率損耗。低啟動(dòng)電流的目的。但是這些方式會(huì)增加有功功率損耗。35 異步電動(dòng)

13、機(jī)變頻調(diào)電壓與頻率的協(xié)調(diào)控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)電壓與頻率的協(xié)調(diào)控制定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值: 111114.44NmEf NkU 定子每相繞組的有效串聯(lián)匝數(shù)定子每相繞組的有效串聯(lián)匝數(shù) 11NN k每極氣隙磁通量每極氣隙磁通量 m電機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持氣隙磁通 恒定： 磁通太強(qiáng)-電機(jī)勵(lì)磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵耗增大。 磁通太弱-電機(jī)鐵芯不能充分利用，電磁轉(zhuǎn)矩矩下降。為了保持為了保持 磁通為常數(shù)，調(diào)頻時(shí)應(yīng)同時(shí)調(diào)壓，使磁通為常數(shù)，調(diào)頻時(shí)應(yīng)同時(shí)調(diào)壓，使 U/F=C, U/F=C, 變頻調(diào)速系統(tǒng)常被稱(chēng)為變壓變頻（變頻調(diào)速系統(tǒng)常被稱(chēng)為變壓變頻（VVVFVVVF）調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)(Variable voltage,variable frequnecy)3 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速)s(pf)s(nn160110變頻調(diào)速變頻調(diào)速 MMCMMC目前的技術(shù)能力能夠滿足：目前的技術(shù)能力能夠滿足：在在1-50Hz1-50Hz變頻工況，功率單元按照變頻工況，功率單元按照30uf/A30uf/A電容設(shè)置，裝置保持穩(wěn)定。這也是電解電電容設(shè)置，裝置保持穩(wěn)