О применении модульных многоуровневых преобразователей
напряжения в магистральных и распределительных электрических сетях
Техника статических преобразователей электрической энергии к
настоящему времени достигла высокого уровня развития. Решающим
фактором этого процесса явилось изобретение Райнером Марквардтом
модульного многоуровневого конвертора (Modular Multilevel Convertor ММС) [1-4] (см. рис.1). Схема ММС составлена из полумостовых
транзисторных PWM-модулей
Mp и Mn, соединённых
в трёхфазную
мостовую схему. Конденсаторы модулей не присоединяются к каким либо
источникам или стокам и являются подвешенными. При
числе модулей
вентиля, равном n, число уровней модуляции фазного напряжения равно 2(n
+ 1), а эквивалентная частота модуляции в n раз превышает частоту
модуляции модуля.
С системой ММС электроэнергетика получила полноценное средство
трансформации форм электрической энергии. Это широтно-модулированные
(Pulse Width Modulation - PWM) конверторы напряжения на основе
полупроводниковых транзисторов и тиристоров с изолированным затвором
(MOSFET, IGBT, IGCT). В течение короткого промежутка времени PWMконверторы не только заняли доминирующее положение в технике
преобразования форм электрической энергии, но и многократно расширили
сферу применения преобразователей и соответствующий рынок. Эта сфера
охватывает ныне весь диапазон от малых источников питания компьютеров и
бытовых приборов до мощных электроприводов. Новый системный принцип
построения
модульных
многоуровневых
схем
снял
препятствия
распространению технологии транзисторных PWM-конверторов на высокие
напряжения и мощности. В настоящее время общепризнано, что модульный
многоуровневый
конвертер
(MМC)
является
ключевой
пригодной для создания различных мощных высоковольтных
технологией,
установок.
MMC имеет высокую надежность, неограниченную масштабируемость,
устойчивость к аварийным режимам, незначительный уровень гармонических
искажений и возможность получения коэффициента полезного действия до
99,5%. Все ведущие компании мира – Сименс, АББ, АЛЬСТОМ - взяли на
вооружение эту технологию [5-7].
Рисунок 1 – Модульная многоуровневая схема Марквардта
Эта технология обеспечивает огромные преимущества для обеспечения
высокой надежности передач постоянного тока (HVDC). Уже в 2010 году
компанией Сименс осуществлён первый проект передачи постоянного тока
мощностью 400 МВт на напряжении 200 кВ постоянного тока с
преобразовательными подстанциями по технологии HVDC PLUS, который
базируется на MMC [5]. Создан комитет IEC для выработки стандартов и
рекомендаций по применению MMC в передачах энергии постоянным током.
Признано, что ММС является ключевой технологией для будущих передач
постоянного тока [8, 9].
2
ММС
является
универсальным
и
совершенным
средством
для
регулирования потоков энергии в сетях и для управления качеством энергии.
Появление этого средства отвечает новым трендам электроэнергетики,
ориентированной
на
возобновляемые
источники,
такие
как
ветроэнергетические фермы и солнечные батареи. Осуществлены или
находятся на стадии осуществления несколько проектов передач постоянного
тока по технологии HVDC PLUS, базирующейся на MMC [10]. В
гипотетических многополюсных сетях постоянного тока, если таковые
получат значимость в электроэнергетике, MMC на основе мощных полностью
управляемых полупроводниковых приборов безусловно станут основным
видом
оборудования.
вспомогательного
Однако
технического
MMC
средства
востребованы
и
в
в
качестве
существующих
сетях
переменного тока для решения следующих задач:

участие в оптимальном регулировании перетоков энергии в
разветвленных сетях;

обеспечение показателей
качества напряжения
в
условиях
возрастающего воздействия искажающих факторов.
Обеспечение показателей качества включает в себя несколько задач:
а) регулирование реактивной мощности;
b) симметрирование напряжения;
с) фильтрацию высших гармоник;
d) демпфирование переходных колебаний.
Применявшиеся для этого до настоящего времени статические тиристорные
компенсаторы
(СТК)
с
пассивными
настроенными
фильтрами
дают
неполноценное решение задач обеспечения качества, поскольку сами
являются источниками искажений. Не вполне полноценное решение даёт и
применение системы СТАТКОМ с трёхуровневым широтно-модулированным
конвертором напряжения. Частота PWM в мощных системах жёстко
ограничена сверху коммутационными потерями мощности, и поэтому
3
функция
фильтрации,
когда
она
востребована,
при
использовании
трёхуровневого СТАТКОМ по-прежнему возлагается на пассивные цепи.
Проблемы
применявшихся
технических
решений
имеют
фундаментальный характер. Широкополосная фильтрация в классе пассивных
(линейных стационарных) цепей возможна лишь с применением резисторов,
согласованных с волновым сопротивлением цепи. В электроэнергетических
целях (в отличие от целей радиотехники и связи) применение согласующих
резисторов очевидным образом невозможно. Что же касается узкополосных
(настроенных) фильтров, то применительно к ним существует дилемма
«избирательность – затухание»: для обеспечения высокой избирательности
требуется
увеличение
увеличивается
время
добротности, но
затухания
при
переходных
увеличении
процессов
добротности
и
наоборот.
Вследствие этих общих закономерностей класса линейных стационарных
систем, показатели качества пассивного фильтра в электроэнергетике
являются
неизбежно
компромиссными
-
не
слишком
хорошая
избирательность и не слишком долгое время затухания.
С применением активного элемента MMC (и соответственно с переходом от
класса линейных стационарных систем к классу билинейных систем) в
электроэнергетике становятся возможными как широкополосный, так и
узкополосный фильтр с высокой избирательностью.
MMC обеспечивает одновременно и решение всей триады задач
обеспечения качества – «компенсация – симметрирование – фильтрация» напряжения сетей переменного тока, и недиссипативное демпфирование
переходных
процессов.
непосредственном
Можно
будущем
с
уверенностью
активные
компенсирующие устройства получат
доминировать
среди
устройств
4
что
фильтро-симметрирующие
в
и
широкое распространение и будут
обеспечения
напряжения.
предсказать,
качества
переменного
Классификация схем применения ММС для обеспечения показателей
качества напряжения в сетях переменного тока приведена в таблице 1.
Таблица 1 – Классификация схем применения ММС для обеспечения
показателей качества напряжения в сетях переменного тока
Выполняемые функции
№
1
Тип схемы
Фильтрация и Симметри- Управляемая Применение
демпфирование рование
компенсация
Гибридная
+
–
–
Фильтрация
высших
схема ММС +
гармоник (ФКУ) в сетях
сериесная КБ
высокого
и
среднего
напряжения.
2
Гибридная
+
схема: ММС +
шунтирующая
КБ
переменного
тока
+
+
3
Гибридная
+
схема: ММС +
шунтирующи
й реактор
–
+
4
СТАТКОМ на +
базе ММС
+
+
Сети
мощных
электродуговых печей;
сети среднего напряжения
буровых установок;
локальные
сети
промышленных объектов,
удаленных
районов,
военных объектов;
коммунальные сети.
Дугогасящие устройства в
нейтрали сетей среднего и
высокого напряжения.
Питающие сети тяговых
подстанций
электрифицированных
железных дорог.
Гибридные схемы во всех случаях, приведенных в
таблице,
применяются только для обеспечения высоких технико-экономических
показателей. Модульный многоуровневый конвертор сам по себе способен
обеспечить выполнение всей триады функций обеспечения качества. Однако
удельная
стоимость
конденсаторных
батарей
и
нерегулируемых
шунтирующих реакторов значительно ниже удельной стоимости ММС.
Поэтому в случаях, когда применение КБ или шунтирующих дросселей
позволяет снизить требуемую мощность ММС, целесообразно применять
подходящую гибридную схему.
5
Основные характеристики модульных многоуровневых конвертеров:
 подмодули представляют собой 2-полюсные устройства; балансировка
напряжения на конденсаторах подмодулей осуществляется системой
управления конвертера без использования дополнительных источников
питания собственных нужд;
 нет потребности в пассивных фильтрах из-за низкого содержания
гармоник в переменном напряжении;
 токи в вентилях не прерываются, они протекают непрерывно;
 отсутствуют фильтры на стороне постоянного тока;
 низкая частота переключения каждого полупроводника обеспечивает
низкие коммутационные потери;
 жесткие аварийные условия и возмущения могут быть отрегулированы
безопасным образом; даже короткие замыкания на стороне постоянного
тока управляемы и возможно быстрое повторное включение, поскольку
в случае короткого замыкания конденсаторы
подмодулей не
разряжаются.
Модульный многоуровневый конвертор должен осуществлять управление
совокупностью параметров сети переменного тока такой как:
 прямая последовательность напряжения или тока (регулирование
реактивной мощности);
 обратная последовательность напряжения (обычно должна сводиться
к нулю);
 комплексные амплитуды для заданной совокупности высших
гармоник (должны сводиться к нулю);
 переходные колебания (должны демпфироваться).
К этой совокупности добавляется ещё совокупность требующих непрерывной
балансировки постоянных напряжений на «подвешенных» конденсаторах в
каждом модуле. Таким образом, возникает задача синтеза разветвлённой
6
многоконтурной
системы,
управляющей
одновременно
совокупностью
большого числа параметров.
Проверка
осуществлена
возможностей ММС для фильтрации напряжения была
при
создании
опытного
образца
активного
фильтра,
разработанного по заданию ОАО «ФСК ЕЭС» для выполнения требований по
качеству напряжения на шинах 400 кВ Выборгского преобразовательного
комплекса [11].
Параметры опытного образца ММС:
 номинальное напряжение, кВ -
15,75;
 номинальная мощность, Мвар -
16,0;
 полоса частот активного
подавления высших гармоник -
от 3-й до 37-й;
 погрешность селективного
подавления канонических гармоник, не более, % -
0,5;
 мощность потерь АФВГ, кВт (%) -
216 (1,35).
Ожидаемое широкомасштабное распространение ММС в электрических
сетях ставит актуальную задачу выработки строгой и детальной теории,
задающей стиль практикам-инженерам в работах по ММС, и создание
базовых устройств для применения в электрических сетях Российской
Федерации.
Список использованных источников:
1.
Marquardt Rainer (DE) – Current rectification circuit for voltage
source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy
storing capacitors. Publication number DE10103031, 2002-07-25.
2.
A. Lesnicar, and R. Marquardt, “An Innovative Modular Multilevel
Converter Topology Suitable for a Wide Power Range”, IEEE PowerTech
Conference, Bologna, Italy, June 23-26, 2003.
7
3.
A. Lesnicar, and R. Marquardt, “A new modular voltage source
inverter topology”, EPE 2003, Toulouse, France, September 2-4, 2003.
4.
R. Marquardt, and A. Lesnicar, “New Concept for High Voltage -
Modular Multilevel Converter”, IEEE PESC 2004, Aachen, Germany, June 2004.
5.
The HVDC-Plus from Siemens: Siemens, HVDC plus – Basics and
Principle
of
Operation,
online:
http://www.energy.siemens.com/hq/pool/hq/powertransmission/HVDC/HVDC_Plu
s_Basic%2520and%2520Principals.pdf.
6.
http://www, HVDC-Light from ABB: N. Mahimkar, G. Persson, C.
Westerlind, “HVDC Technology for Large Scale Offshore Wind Connections”,
Smartelec, Vadodara 2013.
7.
HVDC-MaxSine from Alstom: Alstom, HVDC-VSC: transmission
technology
of
the
future,
online:
http://www.alstom.com/Global/Grid/Resources/Documents/Smart%20Grid/ThinkGrid-08-%20EN.pdf.
8.
R. Marquardt, “Modular multilevel converter: An universal concept for
HVDC-networks and extended dc-bus-applications,” in Proc. Int.Power Electronics
Conf. (IPEC), 2010, pp. 502–507.
9.
Ahmed, Noman; Norrga, Staffan; Nee, H-P; Haider, A.; Van Hertem,
D.; Lidong Zhang; Harnefors, Lennart, "HVDC SuperGrids with modular multilevel
converters — The power transmission backbone of the future,"Systems,Signals and
Devices (SSD), 2012 9th International Multi-Conference on , vol., no., pp.1,7, 2023 March 2012.
10.
Siemens. The Efficient Way SVC PLUS – Innovation meets experience
www.siemens.com/energy/svc-plus.
11.
Отчет о пуско-наладке опытного образца активного фильтра
высших гармоник ММАФ-16к-600 на стенде ОАО «Электровыпрямитель»
(Этап 6. Договор №Д-2300-11.10-1П-К-32). ФГУП ВЭИ, 2013.
8