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摘要：为解决煤炭井下设备电压等级偏低和闪变两大故障，考虑将具有模块化多电平换流站的柔性直流输电（ＭＭＣ－ＨＶＤＣ）系统直接应用于煤矿井下设备输电。介绍了换流站的基本物理构成，引入了ＰＷＭ调制和均压方式的控制器，控制部分分为内环控制和外环控制，内环采用电流控制，外环采用电压控制，对控制参数进行了整定。通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ开展稳态试验，证明该系统在井下运行时有良好的稳定性，可实现井下用电设备有功功率和无功功率的单独调节；若系统受到外部扰动时，可快速稳定直流电压；可将逆变站输出的电压幅值和相位保持在额定值。试验结果验证了井下柔性直流输电系统的实用性。
关键词：井下供电；直流输电；ＭＭＣ－ＨＶＤＣ；整流站；逆变站
０引言
近年来，中国碳达峰、碳中和目标的提出，在国内国际社会引发关注，能源问题是电力系统发展中一直研究并期待有所突破的问题。众所周知，我国的能源分布与电力主要输出分布不统一，能源产出主要在我国西北部地区，而电力消耗主要在我国中东部地区，故我国一直坚持“西电东送”的战略方针。随着电网规模的日益扩大，交流电网输配电的缺陷和不足也日益明显，不可否认，交流输电在很多领域都存在着技术性攻坚问题。譬如，交流输电线路存在电容电流，会引起很大损耗；输送距离受限制，当交流电缆超过一定距离时，电缆全部负荷都被电容电流占用；电抗会随着交流电路的频率而变化，并引起电路电流与电压的相位变化；且交流电路容易发生故障传递，从而导致大面积停电事故等，因此直流输电技术再次活跃在大众视野。随着能源问题和环境问题的日益矛盾，新型可再生能源的使用成为当今讨论的主流问题，但由于受自然环境等因素影响，这些清洁能源具有地理分散，远离负荷中心等问题。无论从技术特点还是工程实践分析，柔性直流输电方式在可再生能源并网方面都将处于重要地位。近年来随着煤矿事业的突飞猛进，井下供电需求大、供电距离长、功率损耗多等问题越来越突出，故我们选择将直流输电技术应用到井下输电系统，这也可以更好地实现井下新能源可靠并网以及充分消纳［１－４］。
最初直流输电技术是以ＬＣＣ（ＬｉｎｅＣｏｍｍｕｔａｔｅｄＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）为技术基础，故也被称作ＬＣＣ－ＨＶＤＣ输电技术，但也因此使得晶闸管的开断非常依赖交流系统，极易发生换相失败等问题，故交流电网的稳定运行得不到保障；其次，ＬＣＣ工作时需要大量无功补偿，且谐波含量多，较难实现潮流反转，这些都导致了ＬＣＣ技术无法更广泛地应用在直流输电工作。ＶＳＣ－ＨＶＤＣ名字的提出和首次运行都是在２０世纪９０年代，而在当时电力系统发展中，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ具有显著优势，首先，无换相失败的问题，交流侧故障引起的电压突降对柔性直流换流站的影响较小；其次，不需要无功补偿，谐波含量少，并且可以实现多端互联，建设直流高压电网。而对比２电平或者３电平ＶＳＣ－ＨＶＤＣ，ＭＭＣ－ＨＶＤＣ系统有着更广泛的发展前景［５－６］。
通过近几年的研究，发现柔性直流输电技术可以解决很多传统直流输电过程存在的问题，尤其是全控型电力电子器件的使用，打开了直流输电技术进阶发展的大门，实现四象限运行的换流器解决了直流输电过程中换向失败的问题，使直流输电技术向前迈进了一大步。而模块化多电平换流器更是其中的佼佼者，它的很多特性增加了电力界和研究人员对这种拓扑结构的兴趣，例如模块化的结构、无变压器运行能力、电流和电压方面易于扩展、冗余和容错运行成本低、可用性高、使用标准组件，以及输出波形的优良品质。这些特点也使得它成为换流器的首选拓扑结构。文献［７－１０］综述了国内外柔性直流输电工程技术的前沿研究成果及最新发展，文献［１１－１７］简述了柔性直流输电操作和控制。
目前，我国已经开展并试运行模块化多电平换流器的柔性直流输电工程，有±３２０ｋＶ厦门双极柔性直流输电工程、张北四端柔性直流电网示范工程、杭州智能柔性直流配电网示范工程、贵州中压五端柔性直流配电示范工程等。这些项目工程的顺利开展和实施不仅推动了柔性直流输电技术的发展，也带动了其他相关领域的进步。
如今，大量大功率运输及采煤设备的应用，使得井下供电系统有功负荷增大，供电距离大幅度增加，供电系统有功损耗进一步增加。为确保井下工作装置顺利运转，减少电能消耗、提升电力效能和供电品质是当前亟待解决的重要问题［３－４］。本文在上述研究基础上，根据井下电力控制系统发展需求，提出了适用于煤矿井下设备输电的ＭＭＣ－ＨＶＤＣ控制系统，讨论ＭＭＣ－ＨＶＤＣ输电系统常用模型、参数以及调整算法，并开展了稳态试验，以验证所提ＭＭＣ－ＨＶＤＣ系统可应用于井下大电量设备长距离输电，电压更稳定，且输电质量也得以保证。
１ＭＭＣ－ＨＶＤＣ系统结构
对交流系统而言，ＭＭＣ可近似成一个受控电压源。图１所示为井下ＭＭＣ－ＨＶＤＣ系统整体架构。
图２所示为典型半桥子模块型ＭＭＣ（ＨＢＳＭ－ＭＭＣ）拓扑结构示意图，如图所示，此结构共有６个桥臂，每个桥臂有Ｎ个ＳＭ子模块。由图中分割出来的ＳＭ子模块可以看出，半桥型结构ＳＭ由两个相同模块串联而成，此模块由１个ＩＧＢＴ和１个反并联二极管并联，再将电容器并在两个反并联二极管两端，通过开断两个ＩＧＢＴ，电容器两端电压值也随之变化。
２ＭＭＣ数学模型
ＭＭＣ简化后的等效模型如图３所示［５］。
式中：θ为电网电压相角。
３ＭＭＣ参数设计
３．１ＳＭ电容参数
理想状态下，上、下桥臂的桥臂电流可以分别表示为：
３．２桥臂电抗器参数
４ＭＭＣ控制器设计
４．１整流站
整流站采取双闭环控制架构，选择把ＰＩ调节器应用到电流内环，这时ＭＭＣ的输入为：
４．２逆变站
通过设计交流电压外环控制器，其输出为内环电流控制器的ｑ轴参考分量。
由式（３）和图１，可以得出逆变站的数学模型：
４．３控制器参数
４．３．１电流内环控制器
根据相关文献研究［１１］，可得到电流内环控制器结构如图６所示（参考项选择ｄ轴）。
４．３．２定直流电压外环控制器
定直流电压外环控制器构成如图７所示。
４．４ＭＭＣ的调制和均压
５ＭＭＣ－ＨＶＤＣ系统仿真实验
５．１系统稳态实验
逆变站网侧相电压幅值参考值取８．１６ｋＶ。系统直流母线电压分布如图１０所示，逆变站输出电压和输出电流ｉｓ２仿真波形如图１１、图１２所示。逆变站桥臂Ｓ电容电压波形如图１３所示。
实验报告结论指出，井下ＭＭＣ－ＨＶＤＣ智能控制系统保证电力系统在达到系统安全且稳定运行的工作要求的同时，还具备优异的响应速度。
５．２有功、无功负荷变化扰动实验
由仿真结果可知，在试验中，当系统正常工作至大约０．３ｓ时，功率负荷均明显增加，直流母线电压也再次工作在其额定值。
６结束语
本文主要讨论了井下ＭＭＣ－ＨＶＤＣ输电系统常用模型、参数以及调整算法，并对其进行了Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的仿真与模拟实验，得出了以下几点结论：（１）利用该输电系统设计可自动进行井下有功功率和无功功率的单独调节，提高了井下输电效率；（２）当系统突然受到外部扰动时，可快速稳定直流电压，大大提升了整个供电系统的稳定性；（３）井下ＭＭＣ－ＨＶＤＣ系统可将逆变站产生的电压幅值和相位保持在额定值，保证了整个电力系统有功功率的输出。以上结论都表明，井下ＭＭＣ－ＨＶＤＣ系统在稳态运行时具有良好的动态响应，但不可否认的是，ＭＭＣ－ＨＶＤＣ系统依然存在一定直流故障问题待解决，下一步有必要研究直流故障最优解。
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