基于自抗扰控制技术的MMC环流抑制器

张兴辉，武宏波，王朝亮(.国网江苏省电力公司，南京市004;.国网北京经济技术研究院，北京市009; .国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州市004)

基于自抗扰控制技术的MMC环流抑制器

张兴辉1，武宏波2，王朝亮3
(1.国网江苏省电力公司，南京市210024;2.国网北京经济技术研究院，北京市102209; 3.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州市310014)

模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)是一种新型的电压源换流器，已经成功应用于高压直流输电领域，发展前景广阔，然而桥臂环流的存在影响了MMC的工作特性和损耗，对环流进行抑制是MMC工程应用必须解决的问题。考虑到系统非线性、鲁棒性和动态性能的要求，引进自抗扰控制(active disturbance rejection control，ADRC)技术，基于自抗扰控制技术设计了一种MMC环流抑制器(circulating current suppressing controller，CCSC)，所设计环流抑制器对MMC的环流详细模型依赖小，并具有优异的适应性和鲁棒性。最后通过在PSCAD/ EMTDC环境下建立的两端MMC系统，仿真验证了所提出的环流抑制器的有效性。

模块化多电平换流器(MMC);环流;自抗扰控制(ADRC);环流抑制器

0 引言

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)以其独特的技术优势，已成功应用在高压直流输电系统中，并已成为未来电压源换流器高压直流输电(voltage source converter based HVDC，VSC-HVDC)领域的发展趋势［1-5］。MMC采用了模块化拓扑结构，可以实现电压及功率等级的灵活变化，减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，开关损耗低、输出波形谐波含量少，网侧无需大容量交流滤波器。基于以上优点，使得MMC在大规模风电并网、电网异步互联、城市中心供电、无源负荷或孤岛供电等方面都具有广阔的应用前景［6-11］。

由于MMC三相桥臂相当于并联在系统的直流侧，稳态运行时，各桥臂间的电压不可能完全一致，因此必然会在三相桥臂间产生环流，从而使正弦的桥臂电流波形发生畸变。各相之间的能量不平衡促使了MMC内部环流的存在，增加了对开关器件参数设计的要求，因此必须进行环流抑制。文献［12-14］利用开关函数对环流的基本成分进行了分析，并探讨了相应的复杂性。文献［14-15］分析了内部环流的产生机理，并采用2倍频负序旋转坐标变换的原理设计了相应的环流抑制器。

自抗扰控制(active disturbance rejection control，ADRC)技术是我国学者在20世纪90年代末提出的一种新型反馈线性化控制策略。ADRC的设计不依赖于受控对象的数学模型，结构和算法简单，设计良好的ADRC响应快速，控制精度高，对受控对象模型的不确定因素和外扰具有优异的适应性和鲁棒性。文献［16］基于自抗扰控制理论，将技术引入到PWM整流器的电压外环控制器，较好地解决PWM整流器未动态建模和电网电压、负载扰动难以精确估计的问题。文献［17］基于ADRC技术设计了VSC-HVDC系统外环控制器，其具有不依赖受控对象的数学模型、响应速度快、控制精度高和鲁棒性强的优点。但目前ADRC技术在MMC控制领域目前少有研究和应用。

针对MMC系统的非线性、鲁棒性和动态性能要求，本文引进ARDC技术，基于ARDC技术设计了MMC环流抑制器(circulating current suppressing controller，CCSC)，所设计环流抑制器对MMC的环流详细模型依赖小，并具有优异的适应性和鲁棒性。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真验证了本文所设计的MMC自抗扰环流抑制器的有效性。

1 MMC的桥臂环流原理分析

1.1 基本结构

三相n+1电平MMC基本结构如图1(a)所示，MMC的每个桥臂由n个子模块和1个电抗器L0串联组成，上、下2个桥臂组成1个相单元。

目前MMC-HVDC工程主要采用半桥子模块拓扑结构。子模块结构如图1(b)所示，其由2个IGBT (T1，T2)、2个反向二极管(D1，D2)以及1个直流电容器C组成。正常运行时子模块工作状态如表1所示，其中S代表子模块状态，S=1代表子模块投入，S=0代表子模块切除，USM为输出电压。

1.2 原理分析

MMC单相等效电路如图2所示，usk(j=a、b、c，下同)为交流相电压、ij为交流相电流，R为等值电阻，L0为桥臂电抗，uPj、uNj分别为MMC的上、下桥臂电压(其中P代表上桥臂，N代表下桥臂，下同)，iPj、iNj分别为上、下桥臂电流，ePj、eNj分别为MMC的上、下桥臂交流输出点电压，Udc为直流电压，Idc为直流电流。

根据图2的电路结构和基尔霍夫定律可得MMC交流侧和内部数学模型为

由此可知，通过控制MMC各相上、下桥臂电压uPj、uNj可实现对换流器出口电压的等效控制，进而可控制MMC与交流系统之间的功率交换。MMC稳态运行时，各桥臂间的电压不可能完全一致，因此必然会在三相间产生环流。通过文献［13］中的分析可知，MMC运行中由于子模块电容电压波动产生三相电压不平衡，三相桥臂间存在环流，而且环流中仅含有偶次波成分，其主要成分是负序性质的二次分量，其他分量所占比重非常小。其中6k+2次谐波分量呈现负序性质，6k+4次谐波分量呈现正序性质，6k+6次谐波分量呈现零序性质，k=0，2，4，6…。定义ecj为换流器等效交流输出电压，izj为桥臂环流，其表示如下:

通过分析可知，上、下桥臂交流输出点电压反映的是桥臂环流中交流分量的变化情况，并且MMC稳态运行时环流在各桥臂对称流动，不体现在直流电流和交流电流中。由文献［14-15］可知，为了抑制环流，可以在可控的上、下桥臂电压的参考指令中都减去环流压降uzj来消除环流对桥臂电流的影响。根据这一思路，结合公式(1)和公式(2)可得上、下桥臂电压参考值的控制规律为

通过公式(6)可知，抑制环流的本质在于求得环流压降，后文采用自抗扰控制技术得到环流压降，进而消除环流。

2 环流抑制策略

自抗扰控制技术是在继承PID控制技术不依赖于对象模型优点的基础上通过改进经典PID固有缺陷而形成的新型控制技术，是一种非线性鲁棒控制技术［18-19］。将自抗扰控制技术应用于MMC环流抑制策略中，设计基于ARDC的MMC环流抑制器具有以下优点:

(1)ARDC技术对于MMC环流模型的不确定性和外部扰动变化具有较强的适应性和鲁棒性，根据被控对象的承受能力合理安排控制量的过渡工程，使控制系统具有良好的动态性能;

(2)自抗扰控制技术不依赖于对象模型，MMC环流模型较为复杂，ARDC技术可以直接进行控制，不必进行详细的数学解耦解析分析，无需引进dq分解等解耦策略;

(3)ARDC根据过程误差的大小和方向，通过配置非线性结构实施反馈控制，利用扩张状态观测器观测系统的状态变量以及系统模型内扰和外扰的影响，采用前馈补偿的方法将被控对象转化成积分串联型系统，作为MMC的附加控制，统一处理确定系统和不确定系统的控制问题，改善和增强了鲁棒性。

2.1 ADRC基本原理

ADRC汲取了经典PID控制和现代控制理论的精华，并进行了相应改进。本文采用的一阶自抗扰控制器如图3所示，由跟踪微分器(tracking differentiator，TD)、扩张状态观测器(extended state observer，ESO)和非线性状态误差反馈(nonlinear state error feedback，NLSEF)这3部分构成［19］。

(1)跟踪微分器。

跟踪微分器能够合理提取微分信号并根据被控对象的承受能力合理安排过渡过程，从而有效协调系统输出的快速性与超调之间的矛盾。

式中:v为输入的参考信号;v1、v2分别为输入信号v的跟踪信号与广义微分信号;r为可调参数，r值越大，跟踪微分器的跟踪能力越强。

(2)扩张状态观测器。

扩张状态观测器是ADRC控制器的核心部分，其将系统未建模的部分和未知的内部和外部扰动归结为系统的总扰动，通过扩张一维的方法，实时估计并动态补偿系统的扰动，使系统线性化为积分器串联结构，从而简化了控制对象，提高了控制品质。二阶扩张状态观测器可表示为

其中:

式中:e为误差信号;α为可调参数(0＜α＜1);δ为滤波因子;y为系统输出值;b为补偿因子;m1、m2为输出误差校正系数;fal为非线性状态误差反馈函数，是ESO的核心部分;z1、z2分别为系统输出和系统扰动的估计值。

(3)非线性状态误差反馈。

非线性状态误差反馈利用非线性结构抑制系统误差，改善了系统的控制品质。一阶自抗扰控制器中的非线性NLSEF可表示为

式中:m3为比例系数，NLSEF的作用是根据TD环节的跟踪信号和微分信号与ESO估计得到的各个状态值获得的误差信息，采用非线性配置的方式对被控对象进行控制。

2.2 环流抑制器设计

自抗扰控制器的TD的作用是提取对象的跟踪信号和微分信号，消除初始误差太大出现的超调现象，解决在实际控制中误差信号不可微的问题。在一阶ADRC结构中，ESO只输出控制对象和未知扰动项的观测值，而没有控制对象的微分输出项。控制器不需要TD的微分输出，因此对MMC自抗扰环流抑制器ADRC模型进行改进，省略TD环节。

在理想情况下，桥臂电流应为交流电流的1/2和直流电流的1/3，即在相单元中单相流动的电流仅为直流电流的1/3，这是环流的理想额定值，也是其参考值。故环流的实测值可以通过测量桥臂电流并结合公式(4)得到，而环流的参考值可以通过公式(12)得到，即

式中:Pref为系统传输的有功功率;Udc为MMC直流电压。

将桥臂环流中的各次谐波分量视为外部扰动，对其利用扩张状态观测器进行动态补偿，可得基于ADRC技术的MMC环流抑制器。根据以上分析，环流抑制器可以通过改进一阶ADRC结构得到，如图4所示。

采用ADRC技术的MMC环流抑制器的MMC整体控制结构如图5所示。

3 仿真验证

为了验证理论解析计算的正确性和有效性，本文在PSCAD/EMTDC环境下建立了如图6所示的21电平双端MMC-HVDC电磁暂态仿真的系统模型。模型单站结构如图1所示，两站结构相同。系统参数设置如下:交流系统电源额定电压为230 kV，短路比SCR=20，系统频率为50 Hz，换流变压器T1和T2的容量均为570 MW，采用Y0/Δ接法，变比均为230 kV/166 kV，漏抗LT=0.023 H，连接电阻R为3Ω，整流侧MMC1换流站采用定直流电压和定交流电压控制，额定直流电压为±160 kV，逆变侧MMC2换流站采用定有功功率和定无功功率控制，子模块均压策略采用工程中较为常用的排序均压法［20］，仿真实验中有功传输容量为105.6 MW，无功功率为300 Mvar，桥臂电抗L0=0.015 H，电容C=5 000μF。在t=3 s时，环流抑制器投入，以逆变侧MMC2为例分析。

环流的额定参考值根据有功功率和直流电压通过公式(12)计算为0.11 kA，以此作为环流抑制器的环流参考值。图7为MMC2的A桥臂环流，通过环流抑制器投入可以发现，桥臂环流得到了有效抑制。图8为A相上、下桥臂的桥臂电流，在桥臂环流抑制器投入之后，环流得到抑制，畸变的桥臂电流变为正弦波。通过仿真发现，环流抑制器能够有效消除环流，证明了其具有良好抑制效果。

4 结论

针对MMC系统的非线性、鲁棒性和动态性能要求，本文基于自抗扰控制技术设计了1种MMC环流抑制器，所设计环流抑制器对MMC的环流详细模型依赖小，无需进行dq分解，并具有优异的适应性和鲁棒性。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了本文所设计的MMC环流抑制器的有效性。

［1］Lesnicar A，Marquardt R.An innovative modular multilevel converter topology suitable for a Wide power range［C］//Power Technology Conference Proceedings，Bologna，2003(3):6.

［2］Marquardt R.Modularmultilevel converter:an universal concept for HVDC-networks and extended DC-bus-applications［C］// Proceedings of IPEC，2010:502-507.

［3］Marquardt R.Modularmultilevel converter topologies With DC-short circuit current lim itation［C］//Power Electronics and ECCE Asia (ICPE＆ECCE)，2011:1425-1431.

［4］Hagiwara M，Akagi H.Control and experiment of pulse Widthmodulated modular multilevel converters［J］.IEEE Transactions Power Electronics，2007，24(7):1737-1746.

［5］王朝亮，赵成勇，许建中.模块化多电平换流器的子模块冗余配置计算方法［J］.电力系统自动化，2013，37(16):103-107.

［6］邓旭，沈扬，王东举，等.基于模块化多电平换流器的多端柔性直流系统接地方式［J］.电力建设，2014，35(3):24-30.

［7］张军，吴金龙，梁云丹，等.基于有限元的模块化多电平换流器绝缘结构分析［J］.电力建设，2014，35(3):31-35.

［8］胡静，赵成勇，翟晓萌.适用于MMC多端高压直流系统的精确电压裕度控制［J］.电力建设，2013，34(4):1-7.

［9］胡航海，李敬如，杨卫红，等.柔性直流输电技术的发展与展望［J］.电力建设，2011，32(5):62-66.

［10］汤广福，贺之源，庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展［J］.电力系统自动化，2013，37(15):3-14.

［11］Saeedifard M，Iravani R.Dynam ic performance of a modular multilevel back-to-back HVDC system［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25(4):2903-2912.

［12］王姗姗，周孝信，汤广福，等.模块化多电平换流器的数学模型［J］.中国电机工程学报，2011，31(24):1-8.

［13］周月宾，江道灼，郭捷，等.模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析［J］.中国电机工程学报，2012，32(24): 8-14.

［14］屠卿瑞，徐政，郑翔，等.模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析［J］.电力系统自动化，2010，36(2):547-552.

［15］屠卿瑞，徐政，管敏渊，等.模块化多电平换流器环流抑制控制器设计［J］.电力系统自动化，2010，34(25):57-61.

［16］郭源博，周鑫，张晓华，等.三相电压型脉宽调制整流器的自抗扰控制［J］.电力系统自动化，2011，35(16):87-93.

［17］范彬，王奔，李新宇.基于自抗扰控制技术的VSC-HVDC系统控制器设计［J］.电力自动化设备，2013，33(5):65-69.

［18］韩京清.从PID技术到“自抗扰控制”技术［J］.控制工程，2002，9 (3):13-18.

［19］韩京清.自抗扰控制器及其应用［J］.控制与决策，1998，13(1): 19-23.

［20］陆翌，王朝亮，彭茂兰，等.一种模块化多电平换流器的子模块优化均压方法［J］.电力系统自动化，2014，38(3):52-58.

(编辑:张媛媛)

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

张兴辉(1982)，男，硕士，工程师，主要从事电力系统可靠性研究工作;

武宏波(1983)，男，硕士，工程师，主要从事电网规划分析研究工作;

王朝亮(1986)，男，硕士，主要从事高压直流输电与柔性直流输电相关技术的研究工作。