電氣工程自動化與供電技術解析

中建八局（山東）設計咨詢有限公司 王永興

隨著科學技術水平的的飛速發展，電氣工程自動化與供電技術在國民經濟的各個領域發揮著重要的作用。電氣工程自動化與供電技術的發展和應用，不僅提高了電力系統的安全、穩定、經濟運行水平，同時對節能減排政策的實施和可持續發展具有重要意義。

1 電氣工程自動化與供電技術以及MMC 拓撲的關系

當前，電氣工程自動化、供電技術以及MMC（多電平變流器）拓撲，在現代電力系統中發揮著重要的作用。電氣工程自動化是指通過采用先進的計算機技術、通信技術和控制技術，實現對電氣設備的自動控制、監測和優化管理。在電力系統中，電氣工程自動化技術可以提高供電可靠性、安全性和經濟性，降低人工操作的復雜性和維護成本。

近年來，隨著電力電子技術和高壓直流輸電技術的發展，供電技術在長距離輸電、海上風電接入等領域得到了廣泛應用，在電力系統中，MMC 拓撲可用于高壓直流輸電、柔性交流輸電、儲能系統等場合，MMC 拓撲的設計和控制技術對于提高電力系統的運行效率、降低投資成本和環境污染具有重要意義。

2 MMC 工作機理與控制方法

2.1 MMC 拓撲結構

MMC 是一種6橋臂的主電路拓撲，其中各橋臂分別通過一個電感L 和N 個子組件構成，將各相橋臂組成一個相元。其電感主要用于對因不對稱DC電壓瞬間值所引起的三相電流進行抑制，并能對短路時的短路電流進行有效地控制，從而提升電力系統的可靠性[1]。每個子電路均為半橋式，其中每個子電路均為IGBT+倒相二極管，外加一個直流側懸掛電容。在各子組件中，通過對IGBT 施加的電壓與輸出電壓的差異，實現開關的啟動與切斷，從而實現對開關的操作。如圖1所示。

圖1 MMC 拓撲結構

2.2 控制系統建模

MMC 具有對稱性，這是由于其三相多晶體管結構所決定的。在這種結構中，每個相都由兩個電力電子器件組成，分別是上橋臂和下橋臂。這種對稱結構使得MMC 在正常運行狀態下，各相之間的電流和電壓相互獨立，有利于提高系統的穩定性和可靠性。MMC 等效電路中假設Uk與ik為交流側電壓與電流，Upk與Urk分別為上橋臂電壓與下橋臂電壓，ipk與ink為上橋臂電流與下橋臂電流，Idc為直流側電流。

由于MMC 三相橋臂與子模塊參數大致相同，故而MMC 橋臂電壓與橋臂電力計算方式見式（1）、式（2）、式（3）、式（4）。

結合式（1）、式（2）、式（3）、式（4），可得出橋臂環流表達方式，見式（5）：

通過式（1）與式（2）能夠得出：通過控制上橋臂與下橋臂子模塊，便能有效控制器電容電壓，從而切實實現確保直流側電壓與交流電壓穩定性目的。同時，在模塊化多電平換流器（MMC）的結構設計中，器件開關所能允許的電壓等級成為決定單元橋臂子模塊數量的關鍵因素[2]。為了簡化分析，將子模塊電容電壓通過Uc表示，并將各個橋臂子模塊總和使用N 表示，在此條件下，若想使其約束條件得到充分滿足，可通過式（6）表示：

此外，電容與橋臂電感可通過式（7）計算得出。

式中，s 為系統容量，m 為電壓調制比，N 為橋臂子模塊數量，ω0為系統基礎頻率，ε 為電容電壓波動的100%，其值在通常情況下取5%，cosφ為交流側功率因數，IZ為環流分量幅值。

2.3 半橋型子模塊工作原理

從圖1可以看出，該副組件SM 為半橋型，其中T1和T2分別為IGBT.D1和D2倒相二極管，C 是子組件DC 端，為半橋型拓撲，其工作狀態包括閉鎖、投入、切除，需要根據功率開關元件T1和T2確定。由于各子組件的流動方向不一致，所以其工作狀況也會有細微的差異[3]。相反，從子組件中出來的電流是負值，即i ＜0。半橋型子組件具有6個工作方式，每個工作方式分別與兩個工作方式相適應。

如果斷開脈沖信號被兩個切換元件T1及T2所提供，則T1及T2均為閉合狀態，此時半橋構造中的子組件操作的狀態稱為鎖定（locking state），也有流向組件的電流。根據鎖定方式的不同，鎖定狀態可以分為操作方式1和操作方式4。若子組件工作于方式1，此時i ＜0，則電流由A 端流動，通過反向并聯二極管D1及DC 測量電容器C，最終由B 口輸出；在這種運行方式中，DC 一側的電容器C 被充電，而副組件的輸出電壓為u。即在DC 端的電容器上的電壓u。若子組件工作于方式4，此時i ＜0，則電流由B 端流動，經由反向平行二極管D2，最終由A 端輸出；在這種運行方式中，DC 一側的電容器C 是旁路，當MMC系統出現異常時，則采用工作方式1，當MMC 出現故障時，則采用方式4工作方式。如果MMC 操作正確，則不會發生鎖定情況。子模塊工作狀態見表1。

表1 子模塊工作狀態

3 仿真實驗

在MATLAB/Simulink 環境下，利用MATLAB/Simulink 對電力電子設備進行建模，并對其進行分析。見表2。

表2 相關參數

3.1 MMC-APC 控制效果

在研究過程中，發現MMC-APC（模塊化多電平換流器-有源功率控制器）的交流側輸出電壓波形表現出良好的特性。具體來說，該波形為光滑且幅值為600V 的正弦波。這種特性使得MMC-APC在電力系統中具有較高的應用價值。

為了進一步了解MMC-APC 的性能，分析其上、下橋臂各子模塊的電容電壓波形曲線。在0.2s時刻，MMC-APC 開始工作，橋臂各子模塊的電容電壓在0.2s 后穩定在2000V 左右。在這期間，電壓從1999.2V 波動到2000V，上下浮動范圍小于0.4%，表明了對橋式子模塊進行有效的直流端電壓調控。

此外，在MMC-APC（模塊化多電平換流器-有源功率控制器）系統中，橋臂的電流特性值得關注。經過研究發現，在0.2s 換流器開始工作后，上、下橋臂的電流逐漸趨于穩定。這些穩定后的電流共同構成了MMC 某橋臂所需的電流。然而，由于MMC 自身存在高次諧波，導致上下橋臂的電流幅度存在一定差異。這種差異也體現在了兩個子模塊電容器電壓的不一致性上[4]。

這意味著，在MMC-APC 系統中，橋臂電流的穩定性和諧波特性對子模塊電容器電壓的均衡起著重要作用。這一結果充分驗證了本文所提出的MMC-APC 拓撲控制策略的正確性和可行性。通過此控制策略，實現了對MMC-APC 的交流側輸出電壓和橋臂子模塊電容電壓的有效控制，保證了系統在高電壓、高功率條件下的穩定運行。

3.2 同相補償效果

電網側在0.2s 左右啟動MMC-APC 后，電網中的三相電流波形隨負載改變而改變，電網中的三相電流波形比較平穩，波形曲線表明電網中的電流和電壓均較好；該變換器配合PWM 調制，使電網中的電網電壓呈三段式分布，供電品質優良，功率因子趨近1，并對牽引進行反饋。

通過采用MMC-APC 變換器對負荷的波形曲線進行了有效的補償，使負荷電流的波形變得平滑，并且具有較高的供電品質。經過對變壓器原有側的三相電流進行了補償，使原來側的單相不平衡型MMC-APC 在0.2s 左右運行后，產生了一種具有負序特性的補償電流。從0.2s 起，牽引變壓器次級側進行了二次側的補償，使經過MMC 的二次側電壓得以提高，兩相之間的電壓幅度相同，相移90°。

4 改進建議

4.1 改進MMC-STATCOM 拓撲結構

通過對MMC 的基本架構進行分析，提出一種新型基于MMC 的新型多相MMC 拓撲，即將其作為一種新型的多相MMC，并將其應用于多相MMC 系統中。該方案能夠在相同的出力情況下，節約了許多切換裝置，并且由于橋臂間沒有環路，因此無須對MMC 進行循環控制。另外，串聯式變換器通常用于中高電壓的場合，因此改良后的MMCSTATCOM 采用了GTO 作為H 電橋。通過比較多級平換流器所采用的裝置數量，本次的比對選用了更常見的串聯H 型電橋，各設計單位的用量在表3中進行了比較，當產生的等級相同時，由于該電子器件的成本更高，因此本方案能夠節約電力開關設備的數量，因此能夠節約電力開關設備，能夠節約成本。

表3 不同類型拓撲元器件對比

4.2 改進MMC-STATCOM 調制

載波移相脈寬調制技術是一種利用特定相位相關載波信號實現脈寬調制，以減少串并聯多路換流橋輸出的全諧波[5]。具體研究基于多路復用的MMC 拓撲，保證各子模塊所產生的三角波振幅、頻率、相位差為π/N 度，并且只采用了半橋臂，因此調制波取絕對值，各單元模塊也采用相同的調制波；經過改進的級聯組件，其輸出的電壓電平是N+1，并且是饅頭波，通過H 電橋，其電平數目是2N+1。為了檢驗這種結構最后的輸出電平是2N+1，其中N 是3個子模塊的2000V，H 電橋結構的輸出電壓是U，可以看到，經過H 電橋的轉換，可以獲得7個電平的電壓。

5 結語

隨著現代化科學技術的飛速發展，傳統供電系統已無法滿足人們對于高效、穩定供電的需求。因此，供電系統應當及時引入自動化控制技術，實現供電系統與自動化技術的緊密融合，既能提升供電質量，又能確保對供電系統的控制力，從而為人們提供更加可靠、優質的電力服務。通過融入自動化控制技術，可以構建更加智能、高效的供電系統，以滿足人們日益增長的電力需求。