基于自抗擾控制技術的MMC環(huán)流抑制器

張興輝，武宏波，王朝亮(.國網江蘇省電力公司，南京市004;.國網北京經濟技術研究院，北京市009; .國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州市004)

基于自抗擾控制技術的MMC環(huán)流抑制器

張興輝1，武宏波2，王朝亮3
(1.國網江蘇省電力公司，南京市210024;2.國網北京經濟技術研究院，北京市102209; 3.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州市310014)

模塊化多電平換流器(modularmultilevel converter，MMC)是一種新型的電壓源換流器，已經成功應用于高壓直流輸電領域，發(fā)展前景廣闊，然而橋臂環(huán)流的存在影響了MMC的工作特性和損耗，對環(huán)流進行抑制是MMC工程應用必須解決的問題?？紤]到系統(tǒng)非線性、魯棒性和動態(tài)性能的要求，引進自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術，基于自抗擾控制技術設計了一種MMC環(huán)流抑制器(circulating current suppressing controller，CCSC)，所設計環(huán)流抑制器對MMC的環(huán)流詳細模型依賴小，并具有優(yōu)異的適應性和魯棒性。最后通過在PSCAD/ EMTDC環(huán)境下建立的兩端MMC系統(tǒng)，仿真驗證了所提出的環(huán)流抑制器的有效性。

模塊化多電平換流器(MMC);環(huán)流;自抗擾控制(ADRC);環(huán)流抑制器

0 引言

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)以其獨特的技術優(yōu)勢，已成功應用在高壓直流輸電系統(tǒng)中，并已成為未來電壓源換流器高壓直流輸電(voltage source converter based HVDC，VSC-HVDC)領域的發(fā)展趨勢［1-5］。MMC采用了模塊化拓撲結構，可以實現(xiàn)電壓及功率等級的靈活變化，減小了電磁干擾和輸出電壓的諧波含量，輸出電壓非常平滑且接近理想正弦波形，開關損耗低、輸出波形諧波含量少，網側無需大容量交流濾波器?；谝陨蟽?yōu)點，使得MMC在大規(guī)模風電并網、電網異步互聯(lián)、城市中心供電、無源負荷或孤島供電等方面都具有廣闊的應用前景［6-11］。

由于MMC三相橋臂相當于并聯(lián)在系統(tǒng)的直流側，穩(wěn)態(tài)運行時，各橋臂間的電壓不可能完全一致，因此必然會在三相橋臂間產生環(huán)流，從而使正弦的橋臂電流波形發(fā)生畸變。各相之間的能量不平衡促使了MMC內部環(huán)流的存在，增加了對開關器件參數(shù)設計的要求，因此必須進行環(huán)流抑制。文獻［12-14］利用開關函數(shù)對環(huán)流的基本成分進行了分析，并探討了相應的復雜性。文獻［14-15］分析了內部環(huán)流的產生機理，并采用2倍頻負序旋轉坐標變換的原理設計了相應的環(huán)流抑制器。

自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術是我國學者在20世紀90年代末提出的一種新型反饋線性化控制策略。ADRC的設計不依賴于受控對象的數(shù)學模型，結構和算法簡單，設計良好的ADRC響應快速，控制精度高，對受控對象模型的不確定因素和外擾具有優(yōu)異的適應性和魯棒性。文獻［16］基于自抗擾控制理論，將技術引入到PWM整流器的電壓外環(huán)控制器，較好地解決PWM整流器未動態(tài)建模和電網電壓、負載擾動難以精確估計的問題。文獻［17］基于ADRC技術設計了VSC-HVDC系統(tǒng)外環(huán)控制器，其具有不依賴受控對象的數(shù)學模型、響應速度快、控制精度高和魯棒性強的優(yōu)點。但目前ADRC技術在MMC控制領域目前少有研究和應用。

針對MMC系統(tǒng)的非線性、魯棒性和動態(tài)性能要求，本文引進ARDC技術，基于ARDC技術設計了MMC環(huán)流抑制器(circulating current suppressing controller，CCSC)，所設計環(huán)流抑制器對MMC的環(huán)流詳細模型依賴小，并具有優(yōu)異的適應性和魯棒性。最后，通過PSCAD/EMTDC仿真驗證了本文所設計的MMC自抗擾環(huán)流抑制器的有效性。

1 MMC的橋臂環(huán)流原理分析

1.1 基本結構

三相n+1電平MMC基本結構如圖1(a)所示，MMC的每個橋臂由n個子模塊和1個電抗器L0串聯(lián)組成，上、下2個橋臂組成1個相單元。

目前MMC-HVDC工程主要采用半橋子模塊拓撲結構。子模塊結構如圖1(b)所示，其由2個IGBT (T1，T2)、2個反向二極管(D1，D2)以及1個直流電容器C組成。正常運行時子模塊工作狀態(tài)如表1所示，其中S代表子模塊狀態(tài)，S=1代表子模塊投入，S=0代表子模塊切除，USM為輸出電壓。

1.2 原理分析

MMC單相等效電路如圖2所示，usk(j=a、b、c，下同)為交流相電壓、ij為交流相電流，R為等值電阻，L0為橋臂電抗，uPj、uNj分別為MMC的上、下橋臂電壓(其中P代表上橋臂，N代表下橋臂，下同)，iPj、iNj分別為上、下橋臂電流，ePj、eNj分別為MMC的上、下橋臂交流輸出點電壓，Udc為直流電壓，Idc為直流電流。

根據(jù)圖2的電路結構和基爾霍夫定律可得MMC交流側和內部數(shù)學模型為

由此可知，通過控制MMC各相上、下橋臂電壓uPj、uNj可實現(xiàn)對換流器出口電壓的等效控制，進而可控制MMC與交流系統(tǒng)之間的功率交換。MMC穩(wěn)態(tài)運行時，各橋臂間的電壓不可能完全一致，因此必然會在三相間產生環(huán)流。通過文獻［13］中的分析可知，MMC運行中由于子模塊電容電壓波動產生三相電壓不平衡，三相橋臂間存在環(huán)流，而且環(huán)流中僅含有偶次波成分，其主要成分是負序性質的二次分量，其他分量所占比重非常小。其中6k+2次諧波分量呈現(xiàn)負序性質，6k+4次諧波分量呈現(xiàn)正序性質，6k+6次諧波分量呈現(xiàn)零序性質，k=0，2，4，6…。定義ecj為換流器等效交流輸出電壓，izj為橋臂環(huán)流，其表示如下:

通過分析可知，上、下橋臂交流輸出點電壓反映的是橋臂環(huán)流中交流分量的變化情況，并且MMC穩(wěn)態(tài)運行時環(huán)流在各橋臂對稱流動，不體現(xiàn)在直流電流和交流電流中。由文獻［14-15］可知，為了抑制環(huán)流，可以在可控的上、下橋臂電壓的參考指令中都減去環(huán)流壓降uzj來消除環(huán)流對橋臂電流的影響。根據(jù)這一思路，結合公式(1)和公式(2)可得上、下橋臂電壓參考值的控制規(guī)律為

通過公式(6)可知，抑制環(huán)流的本質在于求得環(huán)流壓降，后文采用自抗擾控制技術得到環(huán)流壓降，進而消除環(huán)流。

2 環(huán)流抑制策略

自抗擾控制技術是在繼承PID控制技術不依賴于對象模型優(yōu)點的基礎上通過改進經典PID固有缺陷而形成的新型控制技術，是一種非線性魯棒控制技術［18-19］。將自抗擾控制技術應用于MMC環(huán)流抑制策略中，設計基于ARDC的MMC環(huán)流抑制器具有以下優(yōu)點:

(1)ARDC技術對于MMC環(huán)流模型的不確定性和外部擾動變化具有較強的適應性和魯棒性，根據(jù)被控對象的承受能力合理安排控制量的過渡工程，使控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能;

(2)自抗擾控制技術不依賴于對象模型，MMC環(huán)流模型較為復雜，ARDC技術可以直接進行控制，不必進行詳細的數(shù)學解耦解析分析，無需引進dq分解等解耦策略;

(3)ARDC根據(jù)過程誤差的大小和方向，通過配置非線性結構實施反饋控制，利用擴張狀態(tài)觀測器觀測系統(tǒng)的狀態(tài)變量以及系統(tǒng)模型內擾和外擾的影響，采用前饋補償?shù)姆椒▽⒈豢貙ο筠D化成積分串聯(lián)型系統(tǒng)，作為MMC的附加控制，統(tǒng)一處理確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)的控制問題，改善和增強了魯棒性。

2.1 ADRC基本原理

ADRC汲取了經典PID控制和現(xiàn)代控制理論的精華，并進行了相應改進。本文采用的一階自抗擾控制器如圖3所示，由跟蹤微分器(tracking differentiator，TD)、擴張狀態(tài)觀測器(extended state observer，ESO)和非線性狀態(tài)誤差反饋(nonlinear state error feedback，NLSEF)這3部分構成［19］。

(1)跟蹤微分器。

跟蹤微分器能夠合理提取微分信號并根據(jù)被控對象的承受能力合理安排過渡過程，從而有效協(xié)調系統(tǒng)輸出的快速性與超調之間的矛盾。

式中:v為輸入的參考信號;v1、v2分別為輸入信號v的跟蹤信號與廣義微分信號;r為可調參數(shù)，r值越大，跟蹤微分器的跟蹤能力越強。

(2)擴張狀態(tài)觀測器。

擴張狀態(tài)觀測器是ADRC控制器的核心部分，其將系統(tǒng)未建模的部分和未知的內部和外部擾動歸結為系統(tǒng)的總擾動，通過擴張一維的方法，實時估計并動態(tài)補償系統(tǒng)的擾動，使系統(tǒng)線性化為積分器串聯(lián)結構，從而簡化了控制對象，提高了控制品質。二階擴張狀態(tài)觀測器可表示為

其中:

式中:e為誤差信號;α為可調參數(shù)(0＜α＜1);δ為濾波因子;y為系統(tǒng)輸出值;b為補償因子;m1、m2為輸出誤差校正系數(shù);fal為非線性狀態(tài)誤差反饋函數(shù)，是ESO的核心部分;z1、z2分別為系統(tǒng)輸出和系統(tǒng)擾動的估計值。

(3)非線性狀態(tài)誤差反饋。

非線性狀態(tài)誤差反饋利用非線性結構抑制系統(tǒng)誤差，改善了系統(tǒng)的控制品質。一階自抗擾控制器中的非線性NLSEF可表示為

式中:m3為比例系數(shù)，NLSEF的作用是根據(jù)TD環(huán)節(jié)的跟蹤信號和微分信號與ESO估計得到的各個狀態(tài)值獲得的誤差信息，采用非線性配置的方式對被控對象進行控制。

2.2 環(huán)流抑制器設計

自抗擾控制器的TD的作用是提取對象的跟蹤信號和微分信號，消除初始誤差太大出現(xiàn)的超調現(xiàn)象，解決在實際控制中誤差信號不可微的問題。在一階ADRC結構中，ESO只輸出控制對象和未知擾動項的觀測值，而沒有控制對象的微分輸出項。控制器不需要TD的微分輸出，因此對MMC自抗擾環(huán)流抑制器ADRC模型進行改進，省略TD環(huán)節(jié)。

在理想情況下，橋臂電流應為交流電流的1/2和直流電流的1/3，即在相單元中單相流動的電流僅為直流電流的1/3，這是環(huán)流的理想額定值，也是其參考值。故環(huán)流的實測值可以通過測量橋臂電流并結合公式(4)得到，而環(huán)流的參考值可以通過公式(12)得到，即

式中:Pref為系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β?Udc為MMC直流電壓。

將橋臂環(huán)流中的各次諧波分量視為外部擾動，對其利用擴張狀態(tài)觀測器進行動態(tài)補償，可得基于ADRC技術的MMC環(huán)流抑制器。根據(jù)以上分析，環(huán)流抑制器可以通過改進一階ADRC結構得到，如圖4所示。

采用ADRC技術的MMC環(huán)流抑制器的MMC整體控制結構如圖5所示。

3 仿真驗證

為了驗證理論解析計算的正確性和有效性，本文在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了如圖6所示的21電平雙端MMC-HVDC電磁暫態(tài)仿真的系統(tǒng)模型。模型單站結構如圖1所示，兩站結構相同。系統(tǒng)參數(shù)設置如下:交流系統(tǒng)電源額定電壓為230 kV，短路比SCR=20，系統(tǒng)頻率為50 Hz，換流變壓器T1和T2的容量均為570 MW，采用Y0/Δ接法，變比均為230 kV/166 kV，漏抗LT=0.023 H，連接電阻R為3Ω，整流側MMC1換流站采用定直流電壓和定交流電壓控制，額定直流電壓為±160 kV，逆變側MMC2換流站采用定有功功率和定無功功率控制，子模塊均壓策略采用工程中較為常用的排序均壓法［20］，仿真實驗中有功傳輸容量為105.6 MW，無功功率為300 Mvar，橋臂電抗L0=0.015 H，電容C=5 000μF。在t=3 s時，環(huán)流抑制器投入，以逆變側MMC2為例分析。

環(huán)流的額定參考值根據(jù)有功功率和直流電壓通過公式(12)計算為0.11 kA，以此作為環(huán)流抑制器的環(huán)流參考值。圖7為MMC2的A橋臂環(huán)流，通過環(huán)流抑制器投入可以發(fā)現(xiàn)，橋臂環(huán)流得到了有效抑制。圖8為A相上、下橋臂的橋臂電流，在橋臂環(huán)流抑制器投入之后，環(huán)流得到抑制，畸變的橋臂電流變?yōu)檎也?。通過仿真發(fā)現(xiàn)，環(huán)流抑制器能夠有效消除環(huán)流，證明了其具有良好抑制效果。

4 結論

針對MMC系統(tǒng)的非線性、魯棒性和動態(tài)性能要求，本文基于自抗擾控制技術設計了1種MMC環(huán)流抑制器，所設計環(huán)流抑制器對MMC的環(huán)流詳細模型依賴小，無需進行dq分解，并具有優(yōu)異的適應性和魯棒性。最后通過PSCAD/EMTDC仿真驗證了本文所設計的MMC環(huán)流抑制器的有效性。

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(編輯:張媛媛)

Circulating Current Suppressing Controller for MMC Based on Active Disturbance Rejection Control Technology

ZHANG Xinghui1，WU Hongbo2，WANG Chaoliang3
(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China; 2.State Power Econom ic Research Institute，Beijing 102209，China; 3.Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310014，China)

Modularmultilevel converter(MMC)is a novel voltage sourced converter，which has been successfully applied in HVDC transm ission and has broad development prospects.But the working performance and system losses of MMC are directly affected by the existing arm circulating current，so the circulating current suppressing is a problem needed to be resolved for the MMC engineering applications.The active disturbance rejection control(ADRC)technology was introduced in response to the requirements of system non-linearity，robustness and dynamic performance.A circulating current suppressing controller(CCSC)for MMC With good adaptation and robustness was designed based on ADRC technology，which did not depend on the detailed model of arm circulating current.Finally，the simulation results of the MMC system With using PSCAD/EMTDC verified the validity of the proposed CCSC.

modularmultilevel converter(MMC);circulating current;active disturbance rejection control(ADRC); circulating current suppressing controller(CCSC)

TM 72

A

1000－7229(2014)11－0097－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.016

2014-06-23

2014-08-04

張興輝(1982)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)可靠性研究工作;

武宏波(1983)，男，碩士，工程師，主要從事電網規(guī)劃分析研究工作;

王朝亮(1986)，男，碩士，主要從事高壓直流輸電與柔性直流輸電相關技術的研究工作。