基于三相橋臂能量均分策略的MMC均壓控制研究

鄧雪松 劉淼睿 劉勤

摘 要 模塊化多電平換流器（MMC）通過子模塊串聯(lián)可以實現(xiàn)電壓等級的提高。系統(tǒng)穩(wěn)定運行的先決條件是子模塊電容的均壓控制。本文從橋臂能量平衡的角度推導(dǎo)分析子模塊電容電壓不平衡原因。在基于載波移相調(diào)制策略中，疊加了三相橋臂能量均分控制分量實現(xiàn)均壓控制。在PSCAD中進(jìn)行了仿真，驗證該控制策略比單相橋臂能量均分控制具有更好的抗干擾能力。

關(guān)鍵詞 模塊化多電平換流器（MMC）;橋臂能量均分;均壓控制

引言

模塊化多電平換流器（MMC）本質(zhì)上屬于VSC（電壓源型換流器）的一中。由于其模塊化的結(jié)構(gòu)的特點，便于制造加工，成為柔性直流輸電系統(tǒng)提高電壓等級、大規(guī)模商用領(lǐng)域研究的熱點。MMC本身的結(jié)構(gòu)屬性，直流端是沒有單獨的電容作為支撐的。MMC作為VSC的其中一類，系統(tǒng)的正常運行，直流側(cè)電壓必須保持穩(wěn)定。同時，其子模塊的連接方式，要求其中每一個小電容的電壓互相之間保持均衡。因此，在MMC系統(tǒng)的控制策略中，必須考慮子模塊的均壓控制算法[1-2]。

1電容電壓均壓控制原理

根據(jù)MMC的工作特性[3-4]可推導(dǎo)得到其等效電路圖，如圖3所示，在直流端，PN之間的電壓由可用2個電容等效代替，其電壓大小為Udc。

以其中的a相為例，可以得到：

式中，Ua為交流側(cè)電壓的最大值，Isa為交流側(cè)電流的最大值。定義電壓調(diào)制比m，電流調(diào)制比k分別為：

可以推導(dǎo)得到系統(tǒng)的輸入、輸出功率分別為：

在穩(wěn)態(tài)時，根據(jù)式（3），不考慮開關(guān)元件的損耗，根據(jù)能量守恒，可以推導(dǎo)出MMC其中一相橋臂的瞬時功率Pap（t）、Pan（t）分別為：

從式（4）可以看出，輸入的有功功率全部輸出到了直流側(cè)。無功功率在相間交換，并且是二倍頻的。

2電容電壓均壓控制器設(shè)計

當(dāng)MMC處于穩(wěn)態(tài)，每一項的能量為：

通過將環(huán)流控制在較低水平，確保每相的橋臂能量保持相當(dāng)，可設(shè)計出控制器如圖2所示。

在圖2中，跟蹤參考值，輸出得到內(nèi)環(huán)電流控制的參考值。在內(nèi)環(huán)控制中，環(huán)流iz跟蹤參考值，輸出為電容電壓平衡的調(diào)節(jié)分量UAref。通過上述控制器，可以使橋臂間的電容電壓趨于一致，并抑制環(huán)流中。

在文獻(xiàn)[3]中，僅由一個橋臂的2N個子模塊的能量計算得到，即：

實際情況中，在MMC工作時，需確保三相之間的能量保持平衡，因此本文將由MMC三相的共6N個子模塊計算得到，即：

本算法的優(yōu)點在于當(dāng)，即使其中一相的電容電壓發(fā)生了變化，變化幅度會更小，使得系統(tǒng)的抗干擾能力更強。

因此，在載波移相調(diào)制策略中，疊加三相橋臂能量的調(diào)制波分量，在實現(xiàn)本身均壓的同時，實現(xiàn)更好的抗干擾能力。其控制原理圖如圖3所示。

3仿真驗證

在PSCAD仿真軟件中，建立了21電平的MMC系統(tǒng)仿真模型，對本文設(shè)計的均壓算法進(jìn)行仿真分析，設(shè)定的參數(shù)如表1所示。

3.1 穩(wěn)態(tài)仿真

如圖4所示，本文設(shè)計的算法能很好地實現(xiàn)子模塊電容電壓的均衡控制，波動范圍很小，直流側(cè)電壓也保持穩(wěn)定[5]。

3.2 暫態(tài)仿真

設(shè)t=1s時，系統(tǒng)發(fā)了單相故障， 0.1s后，將故障切除，改變載波移相調(diào)制策略中的橋臂能量均分控制分量，分別采用單相橋臂分量、三相橋臂分量的控制算法，仿真結(jié)果如圖5、6所示。

對比圖5、圖6可知，在故障消除后，后者在故障切除后，而前者則未能恢復(fù)。因此，疊加三相橋臂分量的控制策略更優(yōu)，能盡可能的維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，一定程度上提升抗干擾能力。

4結(jié)束語

從仿真結(jié)果可以看出，三相橋臂能量均分策略與單相橋臂能量均分策略相比，在發(fā)生單相故障時，具有更好的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

鄧雪松（1988-），男;學(xué)歷：碩士，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：國網(wǎng)四川省電力公司樂山供電公司，研究方向：電力規(guī)劃與前期管理，柔性直流輸電控制。