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案例分享 | 闽江学院-基于MMC型电力电子变压器能源互联网实验系统

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公司新闻
作者:
市场部
来源:
原创
2021-01-08 02:02
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【摘要】:
基于MMC型电力电子变压器混联能源互联网用以实现多个电压等级的交直流电源、负荷和储能装置之间的联接,以及功率和电压的精确控制,并在此基础上拓展多种系统级运行和控制软件应用。

闽江学院(Minjiang University,MJU),简称“闽院”,坐落于福建省福州市。学校是由福建省人民政府举办的一所公办高等院校、福建省重点建设高校、“服务国家特殊需求”专业硕士学位研究生教育试点高校、福建省一流学科建设高校、福建省“首批深化创新创业教育改革示范高校”、入选国家“双万计划”

 

 

1.背景介绍

 

近年来,智能电网及能源互联网的兴起,也大力推动了电力电子技术在电力系统中的应用发展。智能电网体现了电力流、信息流和业务流的高度融合,以实现资源能源优化配置、系统经济高效运行、灵活智能控制为目标,电力电子技术在智能电网建设中的分布式能量存储、负荷响应资源的辅助服务方面都扮演重要角色。能源互联网是智能电网的进一步拓展,是智能电网发展的终极形态。我国国家电网公司提出的“坚强智能电网”规划,以及前国家电网公司董事长刘振亚提出的“全球能源互联网”都是我国响应能源互联网大趋势的行动。

 

HVDC 技术的发展依赖于电力电子技术的进步,其发展过程可划分为三代技术。第一代是基于汞弧阀的 HVDC 技术,该技术自1954年起共建设了十余个直流输电工程。随着半控型电力电子器件的成功研制,自1972年,基于晶闸管型电流源型换流器(Line commutated converter, LCC)的第二代 HVDC 技术开始了大规模发展,迄今已建设上百个工程,并成为大容量远距离电力输送的主要手段,其电压和容量等级已提升至±1100kV/5500A。

 

第三代 HVDC 技术则是基于全控 型电力电子器件的电压源型换流器(Voltage sourced converter, VSC)。虽然LCC-HVDC 在容量和电压等级上占据绝对优势,但VSC-HVDC 在可控性和灵活性上展现出一系列优点:交流侧可连接弱电网甚至无源负荷、不存在换相失败问题、可独立快速地控制有功和无功功率、波形质量好、滤波器体积小、潮流反转容易等。基于这些灵活性特点,VSC-HVDC 在我国又被称作为柔性直流输电系统。

 

2.系统特点

 

相比传统的两电平、三电平变换器,MMC采用子模块级联的方式取代了IGBT器件的直接串联,不存在IGBT的动态均压问题,安装维护容易,易于扩大容量。而相比CHB,MMC省去了移相变压器,使子模块数目与承载功率不再受限制,通过增加子模块数目可灵活地扩展其电压和功率等级。

 

基于MMC型电力电子变压器混联能源互联网用以实现多个电压等级的交直流电源、负荷和储能装置之间的联接,以及功率和电压的精确控制,并在此基础上拓展多种系统级运行和控制软件应用。

 

1)系统引入新型变压器--电力电子变压器(PET),代替传统的电力变压器。电力电子变压器又称固态变压器,是一种结合电力电子变流技术与高频变压技术,实现两种不同电力特征的电能之间转换的静止电气设备。这种新型的变压器除完成传统变压器基本的变压与隔离功能之外,还可以实现对系统中电压、电流的连续调节、综合控制以及智能管理等功能;

 

2)搭建一套3KV(+-1.5kv伪双极)的直流电压系统,形成真正意义上的中压系统,而非普通的1000V以下的系统,整体设备的参数、性能和保护更贴近实际;

 

3)实验系统不仅能满足本科高校传统的“电路分析”、“电工基础”、“电力电子技术”等有关课程实验教学要求,还能够满足本科院校的电路创新、工程训练、毕业设计及课程设计等功能要求。该设备适合作为高校培养应用型人才的基础教学设备;还可以为师生搭建科研以及创新实践的平台。对提升教师的科研水平和学生创新实践能力有较大的帮助;

 

4)系统并不局限于有效集成分布式能源,更具备能量管理与调度、电能质量治理与控制、支持各端口灵活地切除与投入(即插即用)、协同保护等作用。在主干电网的末端或关键连接点配置交直流混联的多端口变换器系统,取代传统模式下各种能源或负载直接接入电网的方式;

 

5)系统中既包含交流母线,又具备直流母线,两种母线混合在一起,可提供更多的研究实验和更灵活的能量管理策略;

 

6)可实现智能并离网(并网与孤岛状态)切换,既可以并网运行,也可以孤网运行,实现无缝切换,且多种运行模式相互自动或手动方式切换。各子系统可以独立完成相关的实验;

 

7)集成并/离网切换、黑启动、功率平滑、时移、故障诊断、离网功率平衡控制、有功/无功功率控制、电压/频率响应特性控制、保护等功能。实现微电网整体系统数据监控、数据采集、设备管理、功率控制、电能质量监测、能效评估、用电计划设定,经济性分析等;

 

8)配置分级保护和计量装置,在微电网内部故障、外部故障情况下,均保证其准确、快速动作,使系统安全运行;

 

9)针对高校学生,充分考虑了学生的具体知识结构与层次,使得学生可以充分理解系统的特点与结构;学生可以在本系统中进行系统的设计、安装、软件控制等多个专业的知识进行实训;

 

10)针对做科研的老师,开放部分一次侧设备的软硬件资料,包括板级硬件图纸以及软件驱动源代码、算法源代码等,开放上位机软件的源代码程序。提供整体的系统的基础开发平台,方便用户二次开放,提供详细而丰富的培训课程,使用户可快速入门并掌握整体系统,大大提高科研实验的效率;

 

11)自主研发的RCP快速原型仿真控制器,实现数字物理混合仿真。

 

 

3.系统架构

 

系统由入户配电、中压配电升压、中压配电保护、3kV模块化多电平MMC变流、双有源隔离DCDC变流、光伏模拟系统、风力模拟系统、储能系统、负载系统、充电桩系统等组成,详见下图:

 

 

基于MMC型电力电子变压器能源互联网实验系统整体架构

 

4.系统亮点

 

基于 MMC 结构的电力电子变压器

 

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)是级联型多电平换流器中的一种新型结构,在中高压应用领域具有很大的优势。与目前主要的二极管钳位型等多电平拓扑相比,MMC 可以用在电平数很高的情况下,并且损耗小、输出谐波小、冗余性好。相比于级联 H 桥结构,MMC 中的直流母线可避免电容分散而引起的中频变压器数目较多的问题。MMC 每个子模块结构简单,控制相对容易,可以无限拓展。现阶段 MMC 在高电压、大电流应用领域已有直流输电的工程实例。

 

如下图所示为模块化多电平变换器(MMC)的基本拓扑。其由三个相单元构成,各单元均包括上、下两个桥臂,每一桥臂由 N 个相同的子模块(sub-module,SM)串联,经限流电抗器与交流侧连接。加入限流电抗器有两个目的,一是可以减小相电流变化率,使其平滑;二是抑制桥臂与直流侧之间和三相桥臂之间的环流。

 

模块化多电平变换器(MMC)的基本拓扑

 

MMC总体结构图

 

所搭建的三相MMC变流器,其最大功率和电压等级为 100kW/3kV,MMC 直流侧电压 3kV,每个子模块电容电压0.4kV,每个桥臂含子模块个数为 N=4,每相共 8 个子模块。分别为一个控制柜,一个进线柜,以及三个功率柜。其中控制柜中安装了系统的总控制电路、PLC、液晶显示屏、继电器、接触器等控制元件;进线柜中包含系统的交流接线端、直流接线端,以及 2 个三相电抗器、启动电阻、电压电流检测等元件;而每个功率柜中均包含 8 个结构相同的子模块。 

 

 

控制系统设计

 

控制系统结构如图所示。其中控制器采用高性能DSP,主要进行控制算法与参考指令的计算,同时应用FPGA 实现载波移相调制并将生成的开关信号通过光纤传输到每个子模块中,控制相应的 IGBT 实现开通或关断;采用 IO实现样机中各继电器、接触器的控制;此外,采用触摸屏显示系统的工作状态并作为人机交互的接口。最终设计制作的控制系统电路实物图如图所示。 

 

 

子模块设计

 

每个子模块的电路结构如图所示。每个子模块由两个 FF300R17KE3型 IGBT 模块和一组电容器构成,从而子模块可灵活配置成半桥或全桥结构。每个子模块均由一个 CPLD 进行管理,该 CPLD 通过光纤通信接收控制系统发来的 PWM 信号,驱动相应的 IGBT 开通或关断,同时检测子模块的运行状态(如子模块电容电压、 IGBT 温度等),并将该状态由光纤通信发送给控制系统,保证每个子模块均能够可靠运行。

 

 

MMC模块参数:

 

1.三相六桥臂,采用多模块PEBB组合结构;

2.系统容量:100kVA;

3.系统直流输出电压:±1.5kV(伪双极3kV);

4.系统交流输入电压:AC2kV;

5.系统具有软启功能,启动冲击电流:≤50A;

6.功率模块采用自取电方式;

7.三相六桥臂,每个桥臂含子模块个数为 N=4,每相共8个子模块,三相共计24个模块;

8.IGBT电压/电流等级:≥1200V/50A;

9.取能电源工作范围:DC200V~DC900V;

10.控制器采用高性能DSP,主要进行控制算法与参考指令的计算;

11.模块选择半桥拓扑来使用;

12.模块内部集成了驱动及采样电路; 

13.模块板载硬件、软件双重保护,过压、过流保护;

14.子模块为插拔式,配套4U机箱,方便组柜,美观大方;

15.子模块电容和桥臂电感的取值可以灵活调整;关键测量点引出;

16.LED灯指示电源、运行、故障等状态;

17.开放模块硬件接口和定义,开放JTAG编程接口,提供半实物控制器接口及转换板。

 

4.2 双有源全桥双向DC-DC变换器

 

双有源全桥双向DC-DC变换器具有控制方式灵活、动态响应快、模块化对称结构易于串并联拓展、能够适应高/低压变换、具备能量双向流动能力等大量优点。随着碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等新一代宽禁带功率器件材料的发展,变换器装置的性能和可靠性将不断提升。

 

广泛应用的典型拓扑为谐振型双有源全桥双向DC-DC变换器,如图所示。通过谐振网络来代替非谐振型DAB变换器中的漏感,使得谐振腔的电流近似为正弦波,与非谐振式拓扑中的线性电流相比,使得电流谐波更小,减少了高频变压器的涡流损耗。谐振型变换器与非谐振型变换器相比可以允许工作在更高的开关频率,且不依靠环流实现软开关,减小了环流带来的通态损耗。

 

 

DAB模块参数:

 

1.方案采用伪双极结构;

2.系统容量:30kW;

3.高压侧直流电压:±1.5kV;

4.低压侧直流电压:±375V(伪双极);

5.功率模块开关频率≥10KHz;

6.额定模块个数:≥3个;

7.IGBT电压/电流等级:≥1200V/50A;

8.取能电源工作范围:DC400V~DC1500V;

9.采用LLC拓扑;

10.控制器采用 TMS320C6000型 DSP,主要进行控制算法与参考指令的计算;

11.模块内部集成了驱动及采样电路; 

12.模块板载硬件、软件双重保护,过压、过流保护;

13.子模块为插拔式,配套4U机箱,方便组柜,美观大方;

14.LED灯指示电源、运行、故障等状态;

15.开放模块硬件接口和定义,开放JTAG编程接口,提供半实物控制器接口及转换板。

 

 

4.3 高性能快速原型控制器—SP6000

 

YXSPACE-SP6000(以下简称SP6000)为DSP+FPGA架构,采用TI公司的C6000系列DSP作为核心控制器,多个FPGA作为辅助控制器。C6000系列DSP属于高端、综合DSP,常规经常应用于复杂工业控制或者图像处理领域。C6000系列DSP具高主频以及高浮点处理能力,高于常规C2000系列的近几十倍。适用于更加复杂的控制场合。

 

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正是由于其处理能力强的特点,SP6000除RCP功能之外,还可以完成HIL仿真,即半实物仿真。可以将被控对象电路模型下载到SP6000中进行实时仿真,目前已完成测试的拓扑包括Boost、Buck、H桥、三相两电平全桥、隔离型DCDC以及PMSM等,其支持的最小仿真步长可以达到5us,完全可以满足验证性实验。

 

板卡资源:

 

SP6000仿真机,采用插卡式结构,基本配置包含CPU板卡、2块模拟采集ADC板卡、模拟输出DAC板卡、数字输出DO板卡、数组输入DI板卡、两块脉宽调制PWM板卡、正交编码QEP/捕获CAP板卡。其板卡配置安装图如下:

          

 

项目现场: