Назад в библиотеку

Аннотация

У. Уиллер, Ж. Манейро,П. Двораковский,П. Издольщик. Высоковольтные DC-DC преобразователи всё чаще признаются базовыми элементами будущих DC-сетей, и в настоящее время предлагаются перспективные топологии. Однако создание преобразователей с высоким коэффициентом напряжения для мощных приложений остается проблематичным. Концепция оффшорного ветропарка с «DC-коллектором» использует постоянный ток на всех уровнях преобразования. Таким образом, необходим DC-DC преобразователь, способный повышать среднее напряжение, на котором собирается мощность от ветрогенераторов, до высокого напряжения передачи на берег. В данной статье исследуется такой преобразователь. Аналитическое исследование схемы сочетается с моделированием для оценки осуществимости предложенной концепции.

Ключевые слова

Ключевые слова: HVDC, DC-DC преобразователь, оффшорный ветропарк, MVDC, модульный многоуровневый преобразователь, силовая электроника.

I. Введение

Высоковольтные DC-DC преобразователи (HVDC) будут играть важную роль в будущем развитии многотерминальных DC-сетей (MTDC) . За последние 5 лет некоторые схемы начали признаваться промышленно интересными решениями. Однако реальные коммерческие применения не ожидаются до 2030 года. В более краткосрочной перспективе подключение оффшорных ветропарков через сеть сбора на среднем постоянном напряжении (MVDC) и канал передачи HVDC было идентифицировано как приложение, требующее HVDC DC-DC преобразователя. Экономическая целесообразность такого парка изучалась , но выводы этих исследований сильно зависят от принятых допущений относительно преобразователя MV-HV. Лишь немногие статьи рассматривают этот преобразователь в отличие от преобразователя LV-MV, присутствующего в ветрогенераторе.

Чтобы дать прочную основу для экономического анализа концепции DC-сбора, эта статья исследует одну из возможных реализаций HVDC DC-DC преобразователя. Обзор современных HVDC DC-DC преобразователей представлен. Однако производительность потенциально реализуемых схем быстро снижается при коэффициентах напряжения выше 2 . Кроме того, стоимость морской преобразовательной станции сильно зависит от объема и веса установленного в ней преобразователя. Таким образом, данная статья посвящена неизолированному DC-DC преобразователю, отсутствие трансформатора в котором позволит уменьшить объем и вес. Этот новый преобразователь основан на топологии, предложенной, но модифицирован для работы в симметричном монополярном режиме. Топология преобразователя представлена в разделе II, а его принцип работы и расчет параметров — в разделе III. В разделе IV подробно описан предлагаемый для этого преобразователя метод управления. В разделе V работа преобразователя подтверждается моделированием, включающим его в состав ветропарка.

II. Неизолированный DC-DC преобразователь среднего напряжения в высокое

Топология неизолированного преобразователя основана на схеме, предложенной в , но адаптирована для работы в симметричном монополярном режиме. Трехфазная структура состоит из 6 плеч полумостовых субмодулей (SM) модульного многоуровневого преобразователя (MMC), подключенных между клеммами высокого постоянного напряжения (VH). Также 6 клапанов, состоящих из последовательно соединенных IGBT, подключены между клеммами низкого постоянного напряжения (VL). Фаза представляет собой объединение двух пар (плечо MMC; клапан IGBT). Этот преобразователь позволяет осуществлять двунаправленную передачу мощности между двумя DC-системами (VL и VH). Кроме того, он также действует как барьер между двумя DC-системами, блокируя ток короткого замыкания в одной из систем. Поскольку преобразователь не изолирован, сети HVDC и MVDC имеют общую землю, которая, как правило, может находиться в береговой станции DC-AC.

III. Принцип работы и расчет параметров преобразователя

Каждая из трех фаз преобразователя работает одинаково, со сдвигом 120°. В любой момент времени одновременно проводят две фазы. Выражения для токов в плечах MMC представлены соответствующими формулами.

Подобно преобразователю, предложенному в , весь цикл управления делится на шесть интервалов. Каждый из них содержит два состояния. Первое состояние, называемое основным, замыкает ключ для накопления энергии в соответствующей фазе и одновременно замыкает ключ для передачи накопленной энергии в соседней фазе. Второе состояние называется процессом коммутации. В этом состоянии накопление энергии переключается на другую фазу.

IV. Контроллер преобразователя

Основная цель контроллера — регулировать напряжение сети сбора MVDC (VL). Следовательно, пропорционально-интегральный регулятор может быть использован для получения задания входного тока в зависимости от входного напряжения. Это задание тока легко преобразуется в задание входной мощности.

Задание выходной мощности может быть получено из входной мощности и расчетных потерь преобразователя. Поскольку выходное напряжение VH фиксировано, получаем выходной ток IH.

Эта часть управления позволяет задать необходимые амплитуды токов для передачи мощности при поддержании напряжения VL на желаемом значении. Однако, поскольку плечи MMC состоят из множества конденсаторов, энергия в преобразователе также должна контролироваться. Для этого необходимы два действия: контроль средней энергии в фазе, а также равномерное распределение этой энергии между плечами. Энергия фазы равна сумме энергий двух составляющих ее плеч. Чтобы управлять этой энергией, фаза должна иметь возможность заряжаться или разряжаться. Это реализуется с помощью смещения (положительного или отрицательного) на выходном токе IH.

Обеспечение равномерного распределения энергии между плечами сводится к регулированию разности их энергий до 0. Мы исходим из предположения, что контур регулирования общей фазной энергии обеспечивает постоянную общую энергию в течение периода. Здесь, когда одно из двух плеч фазы должно заряжаться, другое должно разряжаться. Для этого к выходному току добавляется новое смещение ?Iarm.

Исходя из полученных различных членов, можно выразить задание тока для плеча. После получения заданий тока они преобразуются в управляющие напряжения с помощью пропорционально-интегральных регуляторов.

V. Моделирование преобразователя в его окружении

Для проверки правильности работы схемы была разработана модель имитационного моделирования всего ветропарка и его HVDC-связи в Matlab-Simulink. В дополнение к исследуемому преобразователю, это моделирование состоит из следующих элементов: модель ветрогенератора, модель кабеля MVDC, модель кабеля HVDC, модель преобразователя DC/AC MMC на берегу.

Модель ветрогенератора состоит из источника тока, питающего емкость. Задание тока этого источника рассчитывается на основе скорости ветра, учитывающей эффект следа в зависимости от положения ветрогенератора в парке. Фильтр второго порядка представляет инерцию генератора.

В парке всего 90 ветрогенераторов номинальной мощностью 10 МВт. Компоновка ветропарка была выполнена на основе работ, представленных в . Для кабеля MVDC используются две п-модели в зависимости от мощности, передаваемой по этому кабелю. Кабель HVDC моделируется на основе «универсальной модели линии» (ULM), учитывающей параметры, зависящие от частоты . Наконец, модель MMC основана на средней модели и подключена к сети переменного тока, представленной источниками напряжения.

Уровни напряжения и мощности парка определены следующим образом: напряжение MVDC VL ±50 кВ, напряжение HVDC VH ±320 кВ, номинальная мощность Pn 900 МВт. Для проверки принципов работы, установленных в разделах III и IV, моделируются различные сценарии.

Было продемонстрировано регулирование напряжения сети сбора MVDC (VL) в ответ на экстремальный случай изменения мощности от ветрогенераторов с 0 до Pn за 1 с. Также представлено изменение напряжения эквивалентной емкости фазы MMC при изменении задания энергии, направленном на увеличение энергии, запасенной в цепи.

VI. Заключение

Был исследован двунаправленный неизолированный преобразователь в контексте оффшорного ветропарка с сетью сбора MVDC. Уравнения для расчета параметров позволяют дать основу для будущего экономического анализа. Могут быть рассмотрены последовательно-параллельные соединения для улучшения использования полупроводников. Было разработано управление входным напряжением преобразователя, а также его запасенной энергией. Работа преобразователя была проверена путем моделирования полного ветропарка.

Моделирование неисправностей следует рассмотреть для продолжения этого исследования. Продолжением этой работы было бы проведение анализа стоимости и производительности этого преобразователя и его сравнение с другими топологиями, как неизолированными, так и изолированными.

VII. Благодарности

Этот проект получил государственную поддержку в рамках программы инвестиций в будущее под ссылкой (ANE-ITE-002-01)

VIII. Ссылки

  1. D. Gomez A. et al., "Requirements for interconnection of HVDC links with DC-DC converters," IECON 2019 - 45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Lisbon, Portugal, 2019, pp. 4854 4860.
  2. S. Kenzelmann, A. Rufer, D. Dujic, F. Canales, and Y. R. de Novaes, “Isolated DC/DC Structure Based on Modular Multilevel Converter,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 89–98, Jan. 2015.
  3. S. Norrga, L. Angquist, and A. Antonopoulos, “The polyphase cascaded-cell DC/DC converter,” in 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2013, pp. 4082–4088.
  4. A. Schon, V. Hofmann, and M. M. Bakran, “Optimisation of the HVDC auto transformer by using hybrid MMC modulation,” IET Power Electronics, vol. 11, no. 3, pp. 468–476, 2018.
  5. J. Yang, Z. He, H. Pang, and G. Tang, “The Hybrid Cascaded DC–DC Converters Suitable for HVdc Applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 10, pp. 5358–5363, Oct. 2015.
  6. M Zama. Modeling and Control of Modular Multilevel Converters (MMCs) for HVDC applications.Electric power. Universite Grenoble Alpes, 2017. English. tel 01915488and Applications (EPE’16 ECCE Europe), 2016, pp. 1–10.
  7. S. C. Raval, R. Botta, and H. N. Raval, “Comparison of energy production cost for MVAC and MVDC offshore wind farm distribution system,” in 2017 Asian Conference on Energy, Power and Transportation Electrification (ACEPT), 2017, pp. 1–6.
  8. . Stieneker, B. J. Mortimer, N. R. Averous, H. Stagge, and R. W. D. Doncker, “Optimum design of medium voltage DC collector grids depending on the offshore wind-park power,” in 2014 IEEE Symposium on Power Electronics and Machines for Wind and Water Applications, 2014, pp. 1–8.
  9. G. Ning, W. Chen, L. Shu, J. Zhao, W. Cao, J. Mei, C. Liu, and G. Qiao, “A Hybrid Resonant ZVZCS Three Level Converter for MVDC-Connected Offshore Wind Power Collection Systems,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 8, pp. 6633–6645, Aug. 2018.
  10. A. Schon and M. Bakran, “Comparison of modular multilevel converter based HV DC-DC-converters,” in 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’16 ECCE Europe), 2016, pp. 1 10.
  11. G. Ning, W. Chen, L. Shu, J. Zhao, W. Cao, J. Mei, C. Liu, and G. Qiao, “A Hybrid Resonant ZVZCS Three Level Converter for MVDC-Connected Offshore Wind Power Collection Systems,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 8, pp. 6633–6645, Aug. 2018.
  12. S Gasnier. Decision support framework for offshore wind farm electrical networks: Robust design and assessment under uncertainties. Universite Lille Nord de-France, 2017.
  13. Araujo, Anderson & Silva, Rodrigo & Kurokawa, Sergio. (2013). Using Universal Line Model (ULM) for Representing Three-phase Lines. Energy and Power Engineering. 05. 1159-1164. 10.4236/epe.2013.54B220.