基于PI控制的MMC—HVDC環(huán)流抑制策略

劉英杰　宋吉江　牛軼霞

摘 要：由于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的三相橋臂相當于并聯(lián)在直流側(cè)，其三相橋臂的電壓不可能完全相等，必然在三相橋臂中產(chǎn)生環(huán)流，導致橋臂電流波形發(fā)生畸變，影響輸出波形，增加系統(tǒng)損耗。本文分析了環(huán)流產(chǎn)生的機理，研究了MMC的環(huán)流抑制策略，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建21電平的MMC模型進行仿真，結(jié)果表明，環(huán)流抑制器不僅僅能夠?qū)Νh(huán)流有抑制作用，改善電壓波形，而且能夠一定程度上降低子模塊電壓波動大小。

關鍵詞：MMC；電容電壓；環(huán)流抑制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.110

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展與電力電子技術的進步，模塊化多電平換流器型高壓直流輸電（MMC-HVDC）作為新一代的直流輸電技術[1]，除了具有傳統(tǒng)直流輸電的特點之外，還具有不存在換相失敗、獨立控制有功功率和無功功率、諧波含量低、適合構(gòu)成多端直流輸電系統(tǒng)等優(yōu)點，可廣泛應用在可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電和異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領域[2-3]。但MMC換流器的輸出通過子模塊電壓疊加而成，系統(tǒng)運行時，各個橋臂的電壓不可能保持在在一個完全相同的值，使得橋臂不僅含有直流分量，而且存在一定的環(huán)流，將會導致橋臂電流發(fā)生畸變，影響電容電壓的平衡，增加不必要的損耗，因此需要對MMC的環(huán)流進行抑制。

1 環(huán)流產(chǎn)生的機理

MMC由三個相單元組成，每個相單元由N個級聯(lián)的子模塊（Sub module，SM）和一個電抗器LO串聯(lián)而成的上下兩個橋臂單元構(gòu)成，SM由兩個帶反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管IGBT串聯(lián)后與一個儲能電容器并聯(lián)組成。

由于MMC換流器的對稱結(jié)構(gòu)，以A相為研究對象，將上下橋臂看做一個整體，MMC環(huán)流不僅包括直流分量，而且還包括二倍頻的交流分量，MMC中三相環(huán)流按照a-c-b的順序流動，并且各相環(huán)流之和為零[4]，因此，環(huán)流只在MMC內(nèi)部各相之間來回流動，母線電流中不包含二倍頻分量。環(huán)流的存在不僅會增加器件功率損耗和系統(tǒng)成本，而且會增大電容電壓的波動，因此，環(huán)流的抑制非常重要。

2 MMC環(huán)流抑制

MMC內(nèi)部環(huán)流主要由直流分量和二倍頻交流分量兩部分構(gòu)成，其他高倍頻分量雖然存在，但是其幅值較主要組成部分而言小很多，可忽略不計，因此，環(huán)流抑制策略主要抑制環(huán)流中的二倍頻分量，又因二倍頻分量具有負序性質(zhì)且僅在MMC內(nèi)部各相之間進行流動，故可以用兩倍頻負序的旋轉(zhuǎn)坐標變換將二倍頻環(huán)流分解為兩個直流量，再使用PI控制器進行控制。

環(huán)流抑制控制的基本步驟為：首先將三相上下橋臂電流相加除以2得三相內(nèi)部電流，其經(jīng)過坐標變換后得到MMC內(nèi)部環(huán)流的d軸分量和q軸分量，將其與對應dq軸的參考值相比較，這里參考值取零，將其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，環(huán)流數(shù)學模型中d軸與q軸之間存在耦合，為了消除它們的影響，引入電壓前饋分量，最后，將內(nèi)部不平衡電壓降的dq軸參考值經(jīng)逆變陣后得到負序三相內(nèi)部不平衡電壓降參考值。

3 仿真驗證

為了驗證電容電壓均衡控制的有效性，在PSCAD/EMTD中搭建了21電平的MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型，采用NLM調(diào)制技術，仿真在初始時未加入環(huán)流抑制，在8s時加入環(huán)流抑制，其仿真結(jié)果如圖1所示。

由圖（a）可以看出投入環(huán)流抑制控制器后，環(huán)流立刻得到抑制，峰值降低，可見環(huán)流抑制器可以抑制環(huán)流。由圖（b）可知在沒有加入環(huán)流抑制前，MMC橋臂電流發(fā)生畸變，采用環(huán)流抑制策略之后，電流質(zhì)量明顯提高，更加接近正弦波。由圖（c）可以看出采用環(huán)流抑制之后，子模塊電壓的波動也受到影響，其大小明顯降低，表明了環(huán)流抑制器不僅僅能夠?qū)Νh(huán)流有抑制作用，而且能夠一定程度上降低子模塊電壓波動大小。由圖（d）可以看出MMC的交流電流在環(huán)流抑制之后，幾乎沒有發(fā)生變化，能夠驗證環(huán)流只在MMC內(nèi)部流動，并不會影響MMC的外部特性，驗證了本文環(huán)流抑制的有效性。

4 總結(jié)

本文根據(jù)MMC橋臂電流含有直流分量與二倍頻分量的特點，研究了基于PI控制的環(huán)流抑制策略，通過仿真，驗證了本文所設計的基于準PI控制的環(huán)流抑制策略的有效性。仿真結(jié)果表明基于PI控制的環(huán)流抑制策略能夠有效抑制橋臂電流中的二倍頻分量，減小橋臂電流畸變，降低子模塊電容電壓波動，具有較好的環(huán)流抑制能力。

參考文獻：

[1]湯廣福，龐輝，賀之淵.先進交直流輸電技術在中國的發(fā)展與應用[J].中國電機工程學報，2016，36（07）：1760-1771.

[2]曹樂萌，趙巧娥，高金城，李奕凱.HVDC系統(tǒng)中MMC換流器控制策略研究[J].智慧電力，2017，45（10）：31-36.

[3]胡航海，李敬如，楊衛(wèi)紅，李紅軍.柔性直流輸電技術的發(fā)展與展望[J].電力建設，2011（05）：62-66.

[4]周月賓，江道灼，郭捷，梁一橋，胡鵬飛.模塊化多電平換流器子模塊電容電壓波動與內(nèi)部環(huán)流分析[J].中國電機工程學報，2012，32（24）：8-14.