基于模块化多电平换流器结构的柔性直流控制策略

胡兆庆 ，董云龙 ，田 杰 ，李海英 ，曹冬明

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

在电压源（VSC）型高压直流换流站中，换流器扮演着交直流转换的重要角色，可关断器件则是构成这类换流站的基础。两电平或者三电平结构受单个开关器件耐压限制，需要使用大量开关器件串联，对器件开通关断一致性、串联器件均压特性要求高[1，2]，模块化多电平换流器（MMC）使用子模块串联方式其电容电压进行平衡控制[3，4]，调制方式选择的研究表明[5]，采用合适的换流器控制方式可以降低器件开关频率，减少换流器损耗。这种结构在西门子TransBay工程中得到应用[6]。文献[7]中对单换流器结构的换流器级和系统级控制进行研究，采用离线软件仿真方式验证控制方式可行性；基于dq坐标分解的有功和无功解耦控制方法被引入电压源型HVDC控制[8，9]，这种控制方式对于换流器连接有源网络或者无源网络，通过软件仿真的方式证明是一种合适的方法。目前对于模块化多电平结构换流器控制研究多集中在换流器级离线仿真方面，由于条件限制，难于进行实时仿真。文中在推导模块化多电平结构换流器数学模型基础上，提出了模块化多电平柔性直流输电的系统级控制策略，用物理模型通过按等比例缩小的方式模拟了上海南汇柔性直流输电示范工程参数，采用实际的上位机控制设备和阀控电子设备，对控制策略进行实时仿真研究。

1 换流器拓扑

两电平或者三电平换流器结构的共同特点是在直流母线上并联电容器，一旦出现半导体器件故障时，可能会引起最严重的直通故障。另外实际需要使用的二极管、电容数量随着电平数量增加而增加，同时需要滤除高次谐波滤波器。

H桥串联是一种构成大功率逆变器的结构方式，但由于这种串联方式需要独立的直流电源作为逆变电源，在进行直流功率传输应用时使用受限制。

MMC是一种新型的电压源型的换流器结构（如图1所示），通过半桥子模块串连达到提高承受电压等级和功率水平的目的，交流侧不需要滤波器，直流侧没有高压电容器组，可以在半导体器件发生故障时避免桥臂直通故障。桥臂电抗器L的使用有以下优点：

（1）限制故障时电流，发生短路故障，可以限制电流上升速度，让半导体器件有足够的时间可靠关断；

（2）限制开通瞬间di/dt，避免造成半导体器件开通瞬间过大的电流变化率损害器件；

（3）在各桥臂电容电压不均衡情况下产生环流，电抗器起到抑制环流作用，同时能够通过给环流的控制提供帮助。

图1 模块化多电平换流器单站结构

2 控制模型和策略

在推导数学模型的基础上提出适用于MMC结构的柔性直流输电系统的控制策略。

2.1 数学模型

定义单相电压电流的方向如图2所示，正常运行时，上下桥臂电流为各分阀侧电流的一半，除此之外，桥臂电流中还包括直流成分。上桥臂和下桥臂的所有子模块电容可以等效为可控电压源uC1，uC2，其中：

式中：Spi，Sni分别为上、下桥臂每个SM模块对应的开关函数；UC为电容电压 （假定所有子模块电容电压都相等，为UC）；n为上或者下桥臂子模块总个数。

图2 模型定义电压电流的参考方向

子模块中上下管T1，T2状态是互补的，对于1个SM子模块而言，输出电压在UC和0两者之间切换，对应开关函数如表1和表2所示。

表1 上桥臂其中1个SM的开关函数

表2 下桥臂其中1个SM的开关函数

正常运行时，对于1个子模块而言，不会出现上下2个开关管同时导通或关断的情况，从表1和表2可以看出，正常运行时，不论桥臂电流的方向如何，上管开通是将子模块投入，下管导通是将子模块退出。

在不考虑冗余子模块情况下，图2结合表1和表2可以推导出：

由于桥臂电流ip，in两者的差仅仅剩下直流成分，可以认为式（3）右边第二项为0，当采用固定投入上下桥臂子模块总数方式，可以认为：

式（2）右侧第一项为上下桥臂投入子模块的电压的差值，实际为控制输出参考电压，定义：

得到：

这与两电平结构下的控制模型是类似的[10，11]。以上式（6）在旋转dq坐标系下表达式为：

式中：L1=0.5L；iacd，iacq分别为阀侧电流 iac在 dq轴的分量；uacd，uacq分别为交流电压uac在dq轴的分量；urefd，urefq分别为控制输出参考电压在dq轴的分量。

模块化多电平结构中实际被控制量为上、下桥臂的可控电压源，上位机控制系统发给阀基控制部分的参考电压实际为：

2.2 相位检测

相位检测关系到系统控制保护检测电压相位的准确性，采用的检测手段如图3所示。

DSP将采集到的三相交流同步电压测量实时值经过αβ变换后，变换为uα，uβ，通过计算得到q轴分量uq，将uq经过PI调节环节得到角频率误差Δω，Δω与额定角频率相加后得到实际角频率，最后再经过积分环节得到相位。

图3 锁相环

2.3 控制策略

在柔性直流系统中，交流侧控制策略应能满足交流电压控制以及无功功率控制方面的要求，直流侧则能够保持换流站直流电压的稳定需要[12]。实际换流站控制策略如图4所示。

图4 柔性直流控制策略

整流侧以有功功率、交流电压以及无功功率为控制目标，逆变侧以直流电压、交流电压以及无功功率为控制目标。图中内环电流控制是根据外环控制器产生的有功功率和无功功率参考值以及三相电流实时值，通过矢量控制得到的电流参考值，该电流参考值通过参考波生成环节得到电压参考值urefd，以及urefq。

参考电压urefd以及urefq经过变换得到三相基波参考电压，利用三角载波对其进行调制，即可产生脉冲调制波形[13]。

3 动模仿真验证

建立图4所示的两端动模系统，动模系统模型以上海柔性直流输电示范工程为依据，具体参数如表3所示。动模阀部分采用49电平MMC，其他一次设备包括变压器、桥臂电抗器物理模型，开关、刀闸用真空接触器来模拟。

利用实际的控制保护装置，与动模系统连接检测控制系统的功能，采用图4所示控制策略，图5为系统满功率运行时站1的波形图，可以看出，控制器输出稳定，交流侧电流平衡性良好，直流电压稳定，交流侧送出有功功率稳定在18 MW。

表3 动模系统模拟的上海柔性直流输电系统参数

在站1交流侧正送有功功率2 MW情况下，模拟直流正极母线发生金属接地故障100 ms的波形如图6所示。可以看出，大约在0.51 s发生永久闭锁跳闸，故障期间，正极母线电压接近0，直流电压调节器将总直流电压控制在60kV左右，直流电压不平衡保护经过一段时间闭锁跳闸。

4 结束语

在推导MMC模型基础上提出适用于模块化多电平柔性直流换流站的控制策略，根据上海柔性直流输电示范工程进行了动模实验，在动模平台考察了控制系统满功率运行控制能力，以及控制器在发生系统故障时控制性能，结果表明，控制器在稳态以及暂态过程中具有良好的调节性能，证明了文中提出的柔性直流控制策略适用于实际工程。

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