MMC-HVDC 閥組控制策略分析

趙海頤，冉華軍

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 MMC-HVDC電路拓?fù)渑c工作原理

模塊化多電平高壓直流輸電系統(tǒng)（MMC-HVDC）換流器的各相由總數(shù)為2N的子模塊串聯(lián)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中第i模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。換流器常態(tài)工作時(shí)，任意時(shí)刻各相投入N個(gè)子模塊，上、下臂中投入子模塊數(shù)隨時(shí)間按正弦規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分配，從而輸出三相交流正弦電壓。

圖1 MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC-HVDC采用分層控制以提高運(yùn)行可靠性、可用率和安全性，由上至下依次為系統(tǒng)控制層、極控制層和閥組控制層（如圖3所示）。極控制層傳送調(diào)制比M及移相角δ指令至MMC-HVDC控制系統(tǒng)的最底層控制層——閥組控制層，閥組控制層包含相間環(huán)流抑制、調(diào)制以及電容電壓平衡控制等環(huán)節(jié)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)換流器閥子模塊[1-2]。

圖2 MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 MMC-HVDC控制系統(tǒng)示意圖

2 相間環(huán)流抑制策略

2.1 相間環(huán)流分析

MMC三相橋臂在直流側(cè)并聯(lián)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各橋臂直流電壓嚴(yán)格一致。然而，分布式MMC電容使各相能量分配不均衡，引起了電容電壓波動(dòng)與不均衡，造成各橋臂間電壓不均衡，使相間產(chǎn)生內(nèi)部環(huán)流，橋臂電流波形畸變，器件額定電流提高。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)控制策略抑制環(huán)流。圖4為環(huán)流分析原理圖，各橋臂建模為橋臂電抗與受控電壓源串聯(lián)支路，采用下標(biāo)p、n以區(qū)分上、下橋臂的變量。

文獻(xiàn)[3-4]分析指出，MMC上、下橋臂電壓不均衡引起三相橋臂間流動(dòng)的內(nèi)部環(huán)流，環(huán)流頻率為兩倍基頻并具有負(fù)序性質(zhì)，不影響外部系統(tǒng)。MMC各相結(jié)構(gòu)對(duì)稱，由KCL可寫出橋臂電流表達(dá)式為：

式中，ipj、inj為j相橋臂電流，ij為交流側(cè)線電流，icjrj為j相上下橋臂環(huán)流。環(huán)流因受橋臂電抗器限制其量值并不大，但相間兩倍頻負(fù)序電流使橋臂電流波形發(fā)生畸變，并影響電容電壓平衡。

圖4 MMC相間環(huán)流原理圖

2.2 環(huán)流抑制原理

環(huán)流引起的各相不平衡壓降為：

設(shè)出口電壓為uj，上下橋臂電壓為upj、unj，則由KVL可得：

由式（3）可得：

式（4）表明，不平衡壓降為環(huán)流在橋臂電抗器上的壓降，是直流電壓與上下橋臂電壓之和不相等引起的。為了將成熟的VSC功率控制策略和電流控制策略植入MMC控制系統(tǒng)，以抑制或者盡量降低環(huán)流造成的不平衡壓降，實(shí)現(xiàn)其上下橋臂電壓均衡控制，環(huán)流抑制控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[4]。

圖5 環(huán)流抑制控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖5 中，橋臂電流ipj與inj( j=a,b,c)求和運(yùn)算后除以2得到三相環(huán)流icirj，然后對(duì)其進(jìn)行兩倍頻負(fù)序坐標(biāo)變換Tacb/dq得到dq軸分量i2fd和i2fq，與參考值i2fd_ref=0和i2fq_ref=0間的誤差作為PI調(diào)節(jié)器輸入量，并引入2ω0L0i2fd、2ω0L0i2fq（ω0為基波角頻率）電壓前饋量消除dq軸耦合，形成dq軸不平衡壓降參考值ucird_ref和ucirq_ref，對(duì)其進(jìn)行逆變換Tdq/acd得到三相負(fù)序不平衡電壓降參考值ucirj_ref( j=a,b,c)并作為調(diào)制環(huán)節(jié)輸入，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制。

式（5）和式（6）中，θ=2ω0t，相序均為a-c-b。

3 最近電平逼近調(diào)制階梯波調(diào)制策略

調(diào)制策略是MMC多電平換流器實(shí)現(xiàn)傳輸功率的重要環(huán)節(jié)，其調(diào)制效果直接影響輸出電壓諧波特性與換流器損耗。與PWM調(diào)制相比，階梯波調(diào)制開關(guān)頻率低，具有較小的開關(guān)損耗。對(duì)于電平數(shù)很多的換流器，因無(wú)需控制脈沖寬度，階梯波調(diào)制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，具有明顯優(yōu)勢(shì)[5]。MMC-HVDC為提高直流電壓通常采用上百個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)方式[6]，電平數(shù)巨大，基于階梯波調(diào)制可獲得優(yōu)良輸出特性，并大幅削弱諧波含量。此外，如此多電平數(shù)情況下采用PWM調(diào)制方式需要很高的開關(guān)頻率，導(dǎo)致開關(guān)損耗上升，同時(shí)策略實(shí)現(xiàn)異常復(fù)雜，不適合MMC-HVDC。

具體實(shí)現(xiàn)階梯波調(diào)制的方式包括特定消諧法階梯波調(diào)制（Selective Harmonic Elimination SM，SHESM）和電壓逼近階梯波調(diào)制。SHESM調(diào)制波幅值隨時(shí)間變化，計(jì)算量較大，具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，但動(dòng)態(tài)性能較差，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度隨電平數(shù)的增加劇增。電壓逼近階梯波調(diào)制策略有兩種方案——空間矢量調(diào)制和最近電平逼近調(diào)制（Nearest Level Modulation，NLM），基本思想是各個(gè)控制時(shí)刻使用最接近電壓矢量或最接近瞬時(shí)電平逼近調(diào)制正弦波，適用于多電平應(yīng)用場(chǎng)合[7]。MMC-HVDC系統(tǒng)電平數(shù)極多，空間矢量方案實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，通常采用NLM[7]。

假定各模塊電容電平值均為UC，對(duì)各子模塊分別予以控制，各子模塊輸出電平疊加構(gòu)成輸出階梯波，形狀逼近正弦調(diào)制波um(t)，如圖6所示。圖6中，θi為首個(gè)1/4周期投入第i個(gè)電平的電角度，s為投入電平數(shù)。

假設(shè)MMC各相橋臂共有2N個(gè)子模塊（通常N為偶數(shù)）。為確保直流電壓恒定，上下橋臂任意時(shí)刻投入子模塊總數(shù)為N。若上下橋臂投入子模塊數(shù)相同即均為N/2，則輸出電壓為0。將一個(gè)完整調(diào)制波周期劃分4個(gè)1/4周期時(shí)段，第1個(gè)1/4周期正弦調(diào)制波瞬時(shí)值從0開始上升，該時(shí)段內(nèi)下橋臂投入子模塊數(shù)需逐漸增加，上橋臂投入子模塊數(shù)需相應(yīng)減少（上下橋臂投入子模塊總數(shù)保持不變），該相總輸出電壓也逐漸增加，波形逼近正弦調(diào)制波，誤差可控制在±UC/2以內(nèi)[8]。當(dāng)上橋臂投入子模塊數(shù)為np（0＜np＜N）時(shí)，下橋臂投入子模塊數(shù)nn=N-np，上下橋臂投入子模塊數(shù)分別為：

式（7）中，round(x)表示取最接近x的整數(shù)，因此電平逼近調(diào)制也稱為量化取整法。

圖6 基于正弦逼近的階梯波調(diào)制策略原理圖

4 電容電壓平衡控制策略

橋臂各子模塊不同投入時(shí)刻、不同橋臂電流、不同電容損耗以及電容值偏差等因素，都會(huì)引起子模塊電容電壓不平衡，導(dǎo)致直流電壓不穩(wěn)定，并產(chǎn)生兩倍頻負(fù)序相間環(huán)流[3]。因此，站級(jí)控制器必須具有實(shí)現(xiàn)換流器子模塊均壓功能，并選擇能以合理開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)的控制策略，為并聯(lián)在直流側(cè)的結(jié)構(gòu)相同的三相單元提供穩(wěn)恒直流電壓，保證MMC-HVDC換流器正常運(yùn)行[8]。

通常采用均壓排序法實(shí)現(xiàn)電容均壓控制，具體實(shí)現(xiàn)方法為：接口電路對(duì)各子模塊電容電壓以毫秒級(jí)采樣速率進(jìn)行采樣，同時(shí)確定橋臂電流方向；上層控制器對(duì)子模塊電容電壓按大小進(jìn)行排序，并根據(jù)橋臂電流方向及需投入子模塊數(shù)投入和切除相關(guān)子模塊。電流流入子模塊使子模塊充電，投入此類子模塊可提升其電容電壓；電流流出子模塊使子模塊放電，投入此類子模塊可降低其電容電壓?；诰鶋号判蛟淼木鶋嚎刂撇呗裕瓤杀３蛛娙蓦妷悍€(wěn)定，也可實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件損耗的均勻分布。

為保證各子模塊電壓均衡，必須在極短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)各子模塊電容電壓并進(jìn)行相應(yīng)的投切操作。IGBT器件高頻通斷，致使開關(guān)損耗増加。因此，在進(jìn)行均壓控制時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注對(duì)電壓偏離額定值較多的子模塊。增大電容電壓偏離額定值較少的子模塊在觸發(fā)控制下一次動(dòng)作時(shí)，保持原來(lái)投切狀態(tài)的可能性，以降低器件的開關(guān)頻率。為使更多子模塊保持原狀態(tài)，在對(duì)子模塊電容電壓排序時(shí)增加兩個(gè)保持因子，將電容電壓偏離額定值較多的子模塊作為平衡控制的重點(diǎn)，有效地降低元件的投切次數(shù)，從而減少開關(guān)損耗。具體實(shí)現(xiàn)方法為：當(dāng)子模塊因橋臂電流充電時(shí)，先將處于投入充電狀態(tài)子模塊的電容電壓以及電容電壓過(guò)低且處于切除狀態(tài)子模塊電容電壓分別乘以一個(gè)略小于1的保持因子HF1，在此基礎(chǔ)上對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行排序后決定各子模塊投切控制。電壓的降低增大了這些子模塊在下一次觸發(fā)控制時(shí)保持或投入充電狀態(tài)的可能性。當(dāng)子模塊因橋臂電流放電時(shí)，先將處于投入放電狀態(tài)子模塊的電容電壓以及電容電壓過(guò)高且處于切除狀態(tài)子模塊的電容電壓乘以一個(gè)略大于1的保持因子HF2，在此基礎(chǔ)上對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行排序后決定各子模塊投切控制。電壓的升高增加了這些子模塊下一次觸發(fā)控制時(shí)保持或投入放電狀態(tài)的可能性。圖7是基于雙重保持因子電容電壓平衡控制策略框圖[1]。

5 閥組控制冗余配置策略

柔性直流輸電換流閥控制保護(hù)性能的優(yōu)劣，直接決定換流閥及整體系統(tǒng)的安全可靠。為了達(dá)到工程要求的可用率和可靠性指標(biāo)，柔性直流輸電換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)采用雙系統(tǒng)熱備份冗余設(shè)計(jì)。閥控系統(tǒng)和換流器控制保護(hù)裝置A和裝置B，兩套系統(tǒng)完全獨(dú)立，同時(shí)接收換流站級(jí)控制保護(hù)裝置的命令。經(jīng)過(guò)A、B兩套系統(tǒng)的協(xié)調(diào)判斷后，確定脈沖分配裝置的控制保護(hù)指令。冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可保證系統(tǒng)不會(huì)因任一單重故障而發(fā)生停運(yùn)，也不會(huì)因單重設(shè)備故障而喪失監(jiān)視、控制和保護(hù)功能。

換流器控制保護(hù)和閥控冗余切換邏輯，如圖8所示。換流器控制保護(hù)A每一個(gè)通信周期都會(huì)將本機(jī)的故障狀態(tài)（健康、輕微故障、嚴(yán)重故障、緊急故障）和值班/運(yùn)行狀態(tài)以通信的方式告訴換流器控制保護(hù)B以及站控A、站控B，同時(shí)會(huì)有單獨(dú)的值班/運(yùn)行脈沖信號(hào)控制閥控A的值班/運(yùn)行狀態(tài)。換流器控制保護(hù)A接收閥控A的請(qǐng)求切換信號(hào)。同理，換流器控制保護(hù)B每一個(gè)通信周期都會(huì)將本機(jī)的故障狀態(tài)（健康、輕微故障、嚴(yán)重故障、緊急故障）和值班/運(yùn)行狀態(tài)以通信的方式告訴換流器控制保護(hù)A以及站控A、站控B，同時(shí)會(huì)有單獨(dú)的值班/運(yùn)行脈沖信號(hào)控制閥控B的值班/運(yùn)行狀態(tài)。換流器控制保護(hù)B接收閥控B的請(qǐng)求切換信號(hào)。

圖8 冗余切換邏輯

只有當(dāng)換流器控制保護(hù)A、B的狀態(tài)處在同一級(jí)別且處于健康或輕微故障狀態(tài)時(shí)，才允許數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）發(fā)送切換命令。換流器控制保護(hù)和閥控裝置采用一對(duì)一綁定關(guān)系，同時(shí)切換換流器控制保護(hù)系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)。

MMC換流器各相投入子模塊數(shù)必須維持在N個(gè)，才能確保輸出直流電壓的穩(wěn)定。一旦MMC某橋臂上發(fā)生子模塊故障，該橋臂甚至整個(gè)換流器將不能正常工作甚至退出運(yùn)行，給整個(gè)MMC-HVDC系統(tǒng)帶來(lái)沖擊，大大降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。因此，對(duì)各橋臂子模塊應(yīng)配置故障冗余控制保護(hù)，并在各橋臂加裝一定數(shù)量的備用冗余子模塊。當(dāng)換流器橋臂上故障子模塊數(shù)小于等于冗余子模塊數(shù)時(shí)，換流器仍然能保持正常運(yùn)行。

6 結(jié) 論

分析MMC-HVDC相間環(huán)流產(chǎn)生原因和環(huán)流抑制原理，分析MMC-HVDC中較常用的NLM調(diào)制方式的原理及實(shí)現(xiàn)方式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究基于雙重保持因子的電容電壓平衡控制策略，重點(diǎn)介紹閥組控制冗余配置方案，對(duì)全面理解MMC-HVDC的閥組控制策略有較好的指導(dǎo)作用。