基于MMC的三端柔性直流输电系统建模与仿真

梁君君，夏成军，李创煌，陈瑜丰，陈中飞

（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641）

柔性直流输电（VSC-HVDC）自20世纪90年代提出以来就广泛受到国内外学者的关注，相比传统直流输电具有电压等级高、谐波含量少、能向无源端供电、不会导致换相失败故障等优点。目前世界上已投入运行的两端柔性直流输电工程有西门子公司承建的Trans Bay Cable工程，中国电力科学研究院承建的上海南汇风电场柔性直流输电工程。目前投运成功的多端柔性直流输电工程有由中国南方电网科学研究院承建的南澳风电场。采用两电平换流器和二极管箝位型三电平换流器的VSC-HVDC需要采用PWM控制，谐波含量较大，需在换流器交流侧安装滤波器，同时它们具有电压等级较低，系统容量低的局限。若是采用模块化多电平换流器（MMC）的结构，不仅可以省去体积较大的换流器，还可以提高电压等级，提高系统容量[1-2]。文献[3-4]研究了MMC在柔性直流输电中的应用，介绍了MMC的基本工作原理，但都是基于两端柔性直流输电系统的基础上。文献[5]针对多端柔性直流输电系统进行了深入的研究，并在直流线路上做了故障仿真以及提出了降低故障影响的可行方案[3]。

本文研究基于MMC的三端柔性直流输电系统的结构、原理及控制策略，在PSCAD仿真平台搭建了基于MMC的三端柔性直流输电系统模型，仿真结果与理论研究相吻合，实现了控制目标。并在直流母线正极作接地故障仿真，研究在故障情况下系统各状态量的变化。

1 MMC的工作原理

1.1 MMC的电路拓扑

MMC的电路拓扑结构如图1所示。本文搭建的MMC为21电平，一个桥臂共有N=20个模块，上下桥臂模块数相等，其主电路由子模块和缓冲电抗器组成，各相桥臂直流电压瞬时值不完全相等因此会造成相间环流，缓冲电抗器用来缓冲桥臂电流，同时有利于抑制桥臂环流[6-7]，还可以有效地抑制直流母线发生故障时的冲击电流，可以大幅度提高系统的可靠性。

图1 MMC电路拓扑结构Fig. 1 Circuit configuration of MMC

1.2 MMC多模块充电原理

MMC充电的主要目标是为了建立额定的直流电压和建立换流器交流侧的电压，其中前者是中心环节[8]。本文采用它励方式给MMC子模块充电，充电电源为电压和模块稳态运行时电容电压一致的直流电压源。子模块充电期间，三端交流侧的断路器断开，仅通过充电电源对子模块充电，充电完成后充电电源断开，再合上交流侧断路器。对子模块进行逐一充电，充电完成的模块就将其IGBT中的T2开通，该模块就处于切除状态，等所有的子模块都充电完成，MMC进入充电完成后的工作状态，再按照系统运行的需求将各模块投入或切除。本文搭建的模型中各模块的充电时间为0.002 s，上下桥臂的模块按顺序充电，MMC充电的总时间为0.002 s×40=0.080 s。在0.080 s前，所有子模块IGBT中的T1都处于关断状态。在子模块充电的时候，该模块IGBT的T2处于关断状态，充电完成后将T2关断。以a相上桥臂一个子模块为例，MMC充电过程的控制原理如图2所示。图中Spa m1为a相上桥臂各模块IGBT中T1的控制信号，Spa m2为T2的控制信号（m=1，2，3，…，20），Spa k11为MMC充电完成后a相上桥臂各模块IGBT中T1的控制信号，Spa k21为MMC充电完成后a相上桥臂各模块IGBT中T2的控制信号（k=1a，2，3，…，20）。当MMC充电的时候，输入选择器选择A端，所有模块充电完成后输入选择器选择B端，进入充电完成后的工作状态。

图2 MMC充电控制原理Fig. 2 The control principle of the charging of MMC

1.3 MMC稳态下的工作原理

21电平MMC的工作原理如图3所示，实线表示上桥臂电压，虚线表示下桥臂电压，两者之和表示直流侧电压[9]。从图中可以看出，一个工频周期内需要经历共40个不同的时间段。

图3 21电平MMC工作原理图Fig. 3 The working principle of 21 levels MMC

从图3中可以看出，在不考虑冗余模块的情况下，若上桥臂投入模块数为M，下桥臂投入的模块数为L，则M+L=20，若每个子模块的电容维持均衡，则子模块电容应为

式中，Udc为直流电压。

2 三端柔直中MMC的控制策略

本文搭建的模型为三端柔性直流输电模型，有两个功率送端以及一个功率受端，它们之间的结构如图4所示，三者的直流侧共用一条直流母线。

图4 三端MMC直流输电系统结构图Fig. 4 Schematic diagram of three-terminal MMC-HVDC

2.1 外环控制器

外环控制器的作用是根据所给的有功无功功率以及直流电压，交流电压来计算内环电流的参考值[10]。在dq同步旋转坐标系下的有功功率以及无功功率与内环电流之间的关系式如下[11-12]：

将Ps、Qs定位在风电场与换流器的公共连接点PCC处，使得usq=0，则Ps=1.5usdid，Qs=1.5usdiq，加入PI调节器环节，可以得到内环电流的参考值idref和iqref：

式中，Pref、Qref为有功功率和无功功率参考值；Preal、Qreal为有功功率和无功功率实际值。直流电压以及交流电压与内环电流参考值之间的调节关系[13]

式中，Udcref、Vref为直流电压参考值和换流器交流侧电压有效值的参考值；Udcreal、Vreal为直流电压和换流器交流侧电压的实际值。

在本文所搭建的模型中，三端均为有源交流网络的MMC-HVDC系统。两个整流器的外环控制器控制方式均采用定有功功率方式和定交流电压方式，逆变器采用定直流电压控制方式和定交流电压方式[13]，可以稳定换流器直流侧电压以及交流侧电压和平衡三端有功功率功率。

2.2 内环电流控制器

内环电流控制器的作用是通过调节输出交流侧电压在dq轴坐标系下的参考值，使得dq轴分量的电流实际值能快速跟踪其参考[14-15]，可以得出下式：

式中，L为PCC点与换流器交流侧之间的等效电抗；idreal、iqreal为换流器交流侧电流在dq轴下的实际值；Udreal、Uqreal为换流器交流侧电压在dq轴坐标系下的实际值。得出Udref、Uqref，然后将其输入到最近电平逼近调制环节。

2.3 系统级控制器

本模型采用直流电压偏差控制的系统级控制方式。主换流站采用定直流电压控制方式，当主换流站发生故障退出运行时，直流电网的功率失衡，造成直流电压上升或是下降[16]。直流电压偏差控制器的作用是使得其中一个从换流站切换到主换流站的模式，即由定有功功率控制切换为定直流电压控制，从而在主换流站发生故障退出运行时能稳定直流电压，图5为直流电压偏差控制器，其中udcrefL和udcrefH满足以下关系：

图5 直流电压偏差器Fig. 5 DC voltage margin control

式中，udcmin和udcmax分别为从换流站稳态直流电压的最小值和最大值，图5中的控制逻辑在主换流站正常工作的情况下，直流电压偏差控制器的输出为idcref2。

2.4 最近电平逼近调制

根据内环电流控制器输出的在dq轴下交流侧电压参考值，然后转换成在三相静止坐标系abc轴下的电压参考值，即是在最近电平逼近调制中调制波的瞬时值，再根据式（1），结合图3，就可以算出在MMC正常工作的时候上下桥臂所需要投入工作的子模块数，它们之间的关系如下[17]：

本模型中的N=20，udc的值可由式（1）算出，控制原理图如图6所示。

图6 最近电平逼近调制原理图Fig. 6 The control principle of NLM

2.5 子模块电容电压平衡控制

采用子模块电容电压排序的方法来平衡子模块电容电压。具体做法是：若桥臂需要投入K个模块，将一个桥臂上的所有子模块电容电压进行排序，若桥臂电流的方向为对子模块电容进行充电，投入电容电压最低的K个子模块；若桥臂电流的方向为对子模块电容放电，投入电容电压最高的K个子模块，这样就可以使得子模块的电容电压维持在一个恒定值附近而不会越限[18-19]。

在PSCAD上通过fortran编程实现一个子模块电容电压平衡控制器，根据上述理论可以在电容电压排序之后确定哪些子模块的投入与切除，然后再将控制器的输出控制信号传递给子模块的两个IGBT，如图7所示，子模块电容电压平衡控制步骤如下。

1）将一个桥臂上的所有子模块电容电压输入到子模块电容电压平衡控制器，控制器对该桥臂上的子模块电容电压进行排序。

图7 子模块电容电压平衡控制器Fig. 7 The balance controller of SM capacitor voltage

2）监测该桥臂电流方向，确定该桥臂电流方向是对电容电压进行充电或放电。

3）将该桥臂上需要开通的子模块数输入到子模块电容电压平衡控制器。

4）子模块电容电压平衡控制器输出该桥臂上每个子模块IGBT的控制信号。

3 仿真结果分析

在搭建的模型中，功率送端1和功率送端2均接入100 MW的风电场，两个功率送端和功率受端额定容量均为100 MV·A，风电场PCC点额定电压和功率受端交流侧额定电压均为110 kV，额定频率为50 Hz，子模块上电容参数为200.0 μF，风电场PCC点与换流器之间接入了等级为110 kV/175 kV的升压变压器，换流器与用电端之间接入了175 kV/110 kV的降压变压器。两个功率送端采用的定交流电压控制输入量均为1.0 pu，基准值为110 kV，采用的定有功功率控制输入量分别为0.5 pu、0.3 pu，基准值为100 MV·A。

3.1 MMC充电过程分析

本模型所设置的一个子模块充电时间为0.002 s，一个桥臂所需要的充电时间为0.002 s×20=0.040 s，所有子模块充电完成的时间为0.080 s，图8为功率送端1的a相子模块电容电压的充电过程，从图中可以看出，一个子模块在0.002 s内可以充电完成，该桥臂的充电时间为0.040 s，一个子模块充电完成后电容电压为16 kV，与理论值相符合。图9为直流电压的充电过程，从图中可以看出大约在0.080 s时直流电压开始上升，这是因为所有的子模块已充电完成，本模型一个桥臂上有20个子模块数，充电完成后直流电压为320 kV，这与式（1）相符合。

3.2 MMC直流侧正极母线短路仿真

本模型设置了在5 s时直流侧正极母线发生接地故障，故障时间持续0.3 s。正极母线发生接地故障，相当于将零参考点移到了正极母线，从图10中可以看出，正极母线接地故障对子模块的正常运行没有多大影响，维持在16 kV左右，这也同时验证了本模型采用的子模块电容电压平衡控制原理，使用电压排序的方式，使得子模块电容电压维持在一个稳定值，不会越限而导致系统不稳定。

图8 充电过程功率送端1的a相子模块电容电压Fig. 8 Pre-charge process of the SM capacitor voltage of A phase for the 1st power transmitting terminal

图9 充电完成后的直流电压Fig. 9 The DC voltage after charged

图10 功率发送端1的a相桥臂模块电容电压Fig. 10 The SM capacitor voltage of A phase for the 1st power transmitting terminal

正极母线接地故障时的正极母线电压和负极母线电压以及两者电压差如图11所示，正极母线电压由160 kV跌落至0 kV，负极母线电压由于子模块的正常工作而由-160 kV跌落至-320 kV，由于定直流电压控制的作用，在故障期间直流电压基本保持不变，依旧维持在320 kV。

图11 直流侧正极，负极母线电压以及直流电压Fig. 11 The voltage of positive and negative bus，and the DC voltage

三端的有功功率如图12所示，本模型功率送端1和功率送端2采用了定有功功率和定交流电压的控制方式，两个功率送端所给定的有功功率参考值分别为0.5 pu、0.3 pu，正极母线接地故障对于功率发送端没有影响，但功率接收端接收的功率会因为正极母线接地故障而有所降低。三端的交流侧电压如图13所示，三端所采用的定交流电压控制输入量均为1.0 pu，它们的额定值均为110 kV，三端的交流侧电压并没有明显变化，这是因为三端换流器的子模块仍然在正常工作，因此桥臂电压也没有明显变化，仿真结果与理论值基本符合。

图12 三端有功功率Fig. 12 The active power for the three terminals

图13 三端交流电压Fig. 13 The AC voltage of the three terminals

4 结论

1）本文采用的它励充电方式虽与实际工程采用的自励方式不同，但能实现同样的稳态效果，控制逻辑简单，实现方便。

2）换流站直流侧电压稳定，所采用的控制策略均能跟随其控制目标，并且在换流站内部的各子模块电压均衡。

3）本文在PSCAD仿真平台上搭建了三端MMC直流输电系统模型，并使用了上述的控制原理，仿真结果与理论值基本符合，验证了该模型的正确性与有效性。

4）直流侧正极母线接地故障对功率发送端没有多大影响，MMC子模块基本可以正常工作，正负极母线下降的电压幅值相等，直流电压基本不变，但在故障瞬间直流电压有一定幅度的降低，随之恢复正常，故障期间功率受端的接收功率降低。

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