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關(guān)于研旭
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項目案例
CASES
閩江學院 基于MMC型電力電子變壓器能源互聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)
基于MMC型電力電子變壓器混聯(lián)能源互聯(lián)網(wǎng)用以實現(xiàn)多個電壓等級的交直流電源、負荷和儲能裝置之間的聯(lián)接，以及功率和電壓的精確控制，并在此基礎(chǔ)上拓展多種系統(tǒng)級運行和控制軟件應(yīng)用。
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開放式智能微電網(wǎng)系統(tǒng)
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方案詳情
閩江學院（Minjiang University，MJU），簡稱“閩院”，坐落于福建省福州市。學校是由福建省人民政府舉辦的一所公辦高等院校、福建省重點建設(shè)高校、“服務(wù)國家特殊需求”專業(yè)碩士學位研究生教育試點高校、福建省一流學科建設(shè)高校、福建省“首批深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范高校”、入選國家“雙萬計劃”
1.背景介紹
近年來，智能電網(wǎng)及能源互聯(lián)網(wǎng)的興起，也大力推動了電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展。智能電網(wǎng)體現(xiàn)了電力流、信息流和業(yè)務(wù)流的高度融合，以實現(xiàn)資源能源優(yōu)化配置、系統(tǒng)經(jīng)濟高效運行、靈活智能控制為目標，電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的分布式能量存儲、負荷響應(yīng)資源的輔助服務(wù)方面都扮演重要角色。能源互聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)的進一步拓展，是智能電網(wǎng)發(fā)展的終極形態(tài)。我國國家電網(wǎng)公司提出的“堅強智能電網(wǎng)”規(guī)劃，以及前國家電網(wǎng)公司董事長劉振亞提出的“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”都是我國響應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)大趨勢的行動。
HVDC 技術(shù)的發(fā)展依賴于電力電子技術(shù)的進步，其發(fā)展過程可劃分為三代技術(shù)。第一代是基于汞弧閥的 HVDC 技術(shù)，該技術(shù)自1954年起共建設(shè)了十余個直流輸電工程。隨著半控型電力電子器件的成功研制，自1972年，基于晶閘管型電流源型換流器(Line commutated converter, LCC)的第二代 HVDC 技術(shù)開始了大規(guī)模發(fā)展，迄今已建設(shè)上百個工程，并成為大容量遠距離電力輸送的主要手段，其電壓和容量等級已提升至±1100kV/5500A。
第三代 HVDC 技術(shù)則是基于全控 型電力電子器件的電壓源型換流器(Voltage sourced converter, VSC)。雖然LCC-HVDC 在容量和電壓等級上占據(jù)絕對優(yōu)勢，但VSC-HVDC 在可控性和靈活性上展現(xiàn)出一系列優(yōu)點：交流側(cè)可連接弱電網(wǎng)甚至無源負荷、不存在換相失敗問題、可獨立快速地控制有功和無功功率、波形質(zhì)量好、濾波器體積小、潮流反轉(zhuǎn)容易等。基于這些靈活性特點，VSC-HVDC 在我國又被稱作為柔性直流輸電系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)特點
相比傳統(tǒng)的兩電平、三電平變換器，MMC采用子模塊級聯(lián)的方式取代了IGBT器件的直接串聯(lián)，不存在IGBT的動態(tài)均壓問題，安裝維護容易，易于擴大容量。而相比CHB，MMC省去了移相變壓器，使子模塊數(shù)目與承載功率不再受限制，通過增加子模塊數(shù)目可靈活地擴展其電壓和功率等級。
基于MMC型電力電子變壓器混聯(lián)能源互聯(lián)網(wǎng)用以實現(xiàn)多個電壓等級的交直流電源、負荷和儲能裝置之間的聯(lián)接，以及功率和電壓的精確控制，并在此基礎(chǔ)上拓展多種系統(tǒng)級運行和控制軟件應(yīng)用。
1）系統(tǒng)引入新型變壓器--電力電子變壓器（PET），代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電力變壓器。電力電子變壓器又稱固態(tài)變壓器，是一種結(jié)合電力電子變流技術(shù)與高頻變壓技術(shù)，實現(xiàn)兩種不同電力特征的電能之間轉(zhuǎn)換的靜止電氣設(shè)備。這種新型的變壓器除完成傳統(tǒng)變壓器基本的變壓與隔離功能之外，還可以實現(xiàn)對系統(tǒng)中電壓、電流的連續(xù)調(diào)節(jié)、綜合控制以及智能管理等功能；
2）搭建一套3KV（+-1.5kv偽雙極）的直流電壓系統(tǒng)，形成真正意義上的中壓系統(tǒng)，而非普通的1000V以下的系統(tǒng)，整體設(shè)備的參數(shù)、性能和保護更貼近實際；
3）實驗系統(tǒng)不僅能滿足本科高校傳統(tǒng)的“電路分析”、“電工基礎(chǔ)”、“電力電子技術(shù)”等有關(guān)課程實驗教學要求，還能夠滿足本科院校的電路創(chuàng)新、工程訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計及課程設(shè)計等功能要求。該設(shè)備適合作為高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的基礎(chǔ)教學設(shè)備；還可以為師生搭建科研以及創(chuàng)新實踐的平臺。對提升教師的科研水平和學生創(chuàng)新實踐能力有較大的幫助；
4）系統(tǒng)并不局限于有效集成分布式能源，更具備能量管理與調(diào)度、電能質(zhì)量治理與控制、支持各端口靈活地切除與投入（即插即用）、協(xié)同保護等作用。在主干電網(wǎng)的末端或關(guān)鍵連接點配置交直流混聯(lián)的多端口變換器系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)模式下各種能源或負載直接接入電網(wǎng)的方式；
5）系統(tǒng)中既包含交流母線，又具備直流母線，兩種母線混合在一起，可提供更多的研究實驗和更靈活的能量管理策略；
6）可實現(xiàn)智能并離網(wǎng)（并網(wǎng)與孤島狀態(tài)）切換，既可以并網(wǎng)運行，也可以孤網(wǎng)運行，實現(xiàn)無縫切換，且多種運行模式相互自動或手動方式切換。各子系統(tǒng)可以獨立完成相關(guān)的實驗；
7）集成并/離網(wǎng)切換、黑啟動、功率平滑、時移、故障診斷、離網(wǎng)功率平衡控制、有功/無功功率控制、電壓/頻率響應(yīng)特性控制、保護等功能。實現(xiàn)微電網(wǎng)整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、功率控制、電能質(zhì)量監(jiān)測、能效評估、用電計劃設(shè)定，經(jīng)濟性分析等；
8）配置分級保護和計量裝置，在微電網(wǎng)內(nèi)部故障、外部故障情況下，均保證其準確、快速動作，使系統(tǒng)安全運行；
9）針對高校學生，充分考慮了學生的具體知識結(jié)構(gòu)與層次，使得學生可以充分理解系統(tǒng)的特點與結(jié)構(gòu)；學生可以在本系統(tǒng)中進行系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、軟件控制等多個專業(yè)的知識進行實訓(xùn)；
10）針對做科研的老師，開放部分一次側(cè)設(shè)備的軟硬件資料，包括板級硬件圖紙以及軟件驅(qū)動源代碼、算法源代碼等，開放上位機軟件的源代碼程序。提供整體的系統(tǒng)的基礎(chǔ)開發(fā)平臺，方便用戶二次開放，提供詳細而豐富的培訓(xùn)課程，使用戶可快速入門并掌握整體系統(tǒng)，大大提高科研實驗的效率；
11）自主研發(fā)的RCP快速原型仿真控制器，實現(xiàn)數(shù)字物理混合仿真。
3.系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)由入戶配電、中壓配電升壓、中壓配電保護、3kV模塊化多電平MMC變流、雙有源隔離DCDC變流、光伏模擬系統(tǒng)、風力模擬系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、負載系統(tǒng)、充電樁系統(tǒng)等組成，詳見下圖：
基于MMC型電力電子變壓器能源互聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)整體架構(gòu)
4.系統(tǒng)亮點
基于 MMC 結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器
模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）是級聯(lián)型多電平換流器中的一種新型結(jié)構(gòu)，在中高壓應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。與目前主要的二極管鉗位型等多電平拓撲相比，MMC 可以用在電平數(shù)很高的情況下，并且損耗小、輸出諧波小、冗余性好。相比于級聯(lián) H 橋結(jié)構(gòu)，MMC 中的直流母線可避免電容分散而引起的中頻變壓器數(shù)目較多的問題。MMC 每個子模塊結(jié)構(gòu)簡單，控制相對容易，可以無限拓展。現(xiàn)階段 MMC 在高電壓、大電流應(yīng)用領(lǐng)域已有直流輸電的工程實例。
如下圖所示為模塊化多電平變換器（MMC）的基本拓撲。其由三個相單元構(gòu)成，各單元均包括上、下兩個橋臂，每一橋臂由 N 個相同的子模塊（sub-module,SM）串聯(lián)，經(jīng)限流電抗器與交流側(cè)連接。加入限流電抗器有兩個目的，一是可以減小相電流變化率，使其平滑；二是抑制橋臂與直流側(cè)之間和三相橋臂之間的環(huán)流。
模塊化多電平變換器（MMC）的基本拓撲
MMC總體結(jié)構(gòu)圖
所搭建的三相MMC變流器，其最大功率和電壓等級為 100kW/3kV，MMC 直流側(cè)電壓 3kV，每個子模塊電容電壓0.4kV，每個橋臂含子模塊個數(shù)為 N=4，每相共 8 個子模塊。分別為一個控制柜，一個進線柜，以及三個功率柜。其中控制柜中安裝了系統(tǒng)的總控制電路、PLC、液晶顯示屏、繼電器、接觸器等控制元件；進線柜中包含系統(tǒng)的交流接線端、直流接線端，以及 2 個三相電抗器、啟動電阻、電壓電流檢測等元件；而每個功率柜中均包含 8 個結(jié)構(gòu)相同的子模塊。
控制系統(tǒng)設(shè)計
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。其中控制器采用高性能DSP，主要進行控制算法與參考指令的計算，同時應(yīng)用FPGA 實現(xiàn)載波移相調(diào)制并將生成的開關(guān)信號通過光纖傳輸?shù)矫總€子模塊中，控制相應(yīng)的 IGBT 實現(xiàn)開通或關(guān)斷；采用 IO實現(xiàn)樣機中各繼電器、接觸器的控制；此外，采用觸摸屏顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)并作為人機交互的接口。最終設(shè)計制作的控制系統(tǒng)電路實物圖如圖所示。
子模塊設(shè)計
每個子模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖所示。每個子模塊由兩個 FF300R17KE3型 IGBT 模塊和一組電容器構(gòu)成，從而子模塊可靈活配置成半橋或全橋結(jié)構(gòu)。每個子模塊均由一個 CPLD 進行管理，該 CPLD 通過光纖通信接收控制系統(tǒng)發(fā)來的 PWM 信號，驅(qū)動相應(yīng)的 IGBT 開通或關(guān)斷，同時檢測子模塊的運行狀態(tài)(如子模塊電容電壓、 IGBT 溫度等)，并將該狀態(tài)由光纖通信發(fā)送給控制系統(tǒng)，保證每個子模塊均能夠可靠運行。
MMC模塊參數(shù)：
1.三相六橋臂，采用多模塊PEBB組合結(jié)構(gòu)；
2.系統(tǒng)容量：100kVA；
3.系統(tǒng)直流輸出電壓：±1.5kV（偽雙極3kV）；
4.系統(tǒng)交流輸入電壓：AC2kV；
5.系統(tǒng)具有軟啟功能，啟動沖擊電流：≤50A；
6.功率模塊采用自取電方式；
7.三相六橋臂，每個橋臂含子模塊個數(shù)為 N=4，每相共8個子模塊，三相共計24個模塊；
8.IGBT電壓/電流等級：≥1200V/50A；
9.取能電源工作范圍：DC200V～DC900V；
10.控制器采用高性能DSP，主要進行控制算法與參考指令的計算；
11.模塊選擇半橋拓撲來使用；
12.模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動及采樣電路；
13.模塊板載硬件、軟件雙重保護，過壓、過流保護；
14.子模塊為插拔式，配套4U機箱，方便組柜，美觀大方；
15.子模塊電容和橋臂電感的取值可以靈活調(diào)整；關(guān)鍵測量點引出；
16.LED燈指示電源、運行、故障等狀態(tài)；
17.開放模塊硬件接口和定義，開放JTAG編程接口，提供半實物控制器接口及轉(zhuǎn)換板。
4.2 雙有源全橋雙向DC-DC變換器
雙有源全橋雙向DC-DC變換器具有控制方式靈活、動態(tài)響應(yīng)快、模塊化對稱結(jié)構(gòu)易于串并聯(lián)拓展、能夠適應(yīng)高／低壓變換、具備能量雙向流動能力等大量優(yōu)點。隨著碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等新一代寬禁帶功率器件材料的發(fā)展，變換器裝置的性能和可靠性將不斷提升。
廣泛應(yīng)用的典型拓撲為諧振型雙有源全橋雙向DC-DC變換器，如圖所示。通過諧振網(wǎng)絡(luò)來代替非諧振型DAB變換器中的漏感，使得諧振腔的電流近似為正弦波，與非諧振式拓撲中的線性電流相比，使得電流諧波更小，減少了高頻變壓器的渦流損耗。諧振型變換器與非諧振型變換器相比可以允許工作在更高的開關(guān)頻率，且不依靠環(huán)流實現(xiàn)軟開關(guān)，減小了環(huán)流帶來的通態(tài)損耗。
DAB模塊參數(shù)：
1.方案采用偽雙極結(jié)構(gòu)；
2.系統(tǒng)容量：30kW；
3.高壓側(cè)直流電壓：±1.5kV；
4.低壓側(cè)直流電壓：±375V（偽雙極）；
5.功率模塊開關(guān)頻率≥10KHz；
6.額定模塊個數(shù)：≥3個；
7.IGBT電壓/電流等級：≥1200V/50A；
8.取能電源工作范圍：DC400V～DC1500V；
9.采用LLC拓撲；
10.控制器采用 TMS320C6000型 DSP，主要進行控制算法與參考指令的計算；
11.模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動及采樣電路；
12.模塊板載硬件、軟件雙重保護，過壓、過流保護；
13.子模塊為插拔式，配套4U機箱，方便組柜，美觀大方；
14.LED燈指示電源、運行、故障等狀態(tài)；
15.開放模塊硬件接口和定義，開放JTAG編程接口，提供半實物控制器接口及轉(zhuǎn)換板。
4.3 高性能快速原型控制器—SP6000
YXSPACE-SP6000（以下簡稱SP6000）為DSP+FPGA架構(gòu)，采用TI公司的C6000系列DSP作為核心控制器，多個FPGA作為輔助控制器。C6000系列DSP屬于高端、綜合DSP，常規(guī)經(jīng)常應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)控制或者圖像處理領(lǐng)域。C6000系列DSP具高主頻以及高浮點處理能力，高于常規(guī)C2000系列的近幾十倍。適用于更加復(fù)雜的控制場合。
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正是由于其處理能力強的特點，SP6000除RCP功能之外，還可以完成HIL仿真，即半實物仿真?？梢詫⒈豢貙ο箅娐纺Ｐ拖螺d到SP6000中進行實時仿真，目前已完成測試的拓撲包括Boost、Buck、H橋、三相兩電平全橋、隔離型DCDC以及PMSM等，其支持的最小仿真步長可以達到5us，完全可以滿足驗證性實驗。
板卡資源：
SP6000仿真機，采用插卡式結(jié)構(gòu)，基本配置包含CPU板卡、2塊模擬采集ADC板卡、模擬輸出DAC板卡、數(shù)字輸出DO板卡、數(shù)組輸入DI板卡、兩塊脈寬調(diào)制PWM板卡、正交編碼QEP/捕獲CAP板卡。其板卡配置安裝圖如下：
項目現(xiàn)場：
微信公眾號
