基于模块化多电平换流器的直流输电系统网侧不平衡故障穿越研究

廖 武 黄守道 黄 晟 王 辉

基于模块化多电平换流器的直流输电系统网侧不平衡故障穿越研究

廖 武 黄守道 黄 晟 王 辉

（国家电能变换与控制工程技术研究中心 湖南大学 长沙 410082）

基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converters , MMC）柔性直流输电系统在电网发生单相或两相故障时，会导致MMC桥臂上产生两倍频的正序、负序和零序环流，零序环流由于不能在三相桥臂之间相互抵消而进入高压直流侧，会影响其他换流站的运行。为此设计了二次零序环流控制器来对其进行抑制。并针对不平衡故障时，在相同传输功率下子模块电容电压波动幅值变大的问题，提出了通过对桥臂注入一定的负序二次环流，降低子模块电容电压波动的控制策略。在Matlab/Simulink中搭建了基于MMC-HVDC的仿真模型，仿真结果表明此算法能保证直流母线电压的稳定，并降低子模块电容电压的波动，提高了MMC换流器不平衡故障的穿越能力。

模块化多电平换流器 柔性直流输电 不平衡故障 电压波动

1 引言

基于电压源换流器的柔性直流输电系统具有独立调节有功和无功功率的能力，可以向无源网络供电，能够在大规模风电场并网、孤岛供电、城市配电网的增容改造以及交流系统互联等场合得到应用，具有广阔的应用前景[1]。传统两电平电压源型换流器由于开关器件耐压的限制，在柔性直流输电换流站中需考虑串联器件的均压问题，技术难度大、开关频率和损耗都较高，输出波形谐波含量较高[2]，以上缺点会影响系统的运行性能。而模块化多电平换流器采用分散子模块级联的形式，以其输出电压等级高、器件应力小、输出电压波形好、可以省掉笨重的工频变压器和滤波器等优点，在柔性直流输电领域得到了广泛的关注[3-4]。西门子公司开发的连接美国匹兹堡和旧金山之间的一条HVDC-light系统为世界上首条商业化的基于MMC(Modular Multilevel Converters) 的高压直流输电系统。中国电力科学研究院和上海市电力公司合作开发建设的南汇风电场柔性输电示范工程，于2011年7月完成工程验收，是我国首条正式投入商用的基于MMC的HVDC输电工程[5]。

随着采用MMC换流器的直流输电系统逐渐投入商业运行，而真实电网中存在电压不平衡故障的情况，因此，研究电网电压不对称故障下MMC网侧换流器故障穿越控制算法具有一定的实际意义。MMC采用了分布式的储能电容，当MMC工作时，子模块分散式电容不可避免的产生波动，从而在桥臂上产生环流。因此MMC换流器需要增加内部电容电压和桥臂环流的控制器[6]。文献[7-8]分析了电网平衡状态下桥臂环流的形成原因，指出桥臂环流主要为二倍频的负序分量。文献[9-10]针对此情况，分别提出了采用负序同步旋转坐标系下的PI控制和在静止坐标系下的比例谐振控制来抑制环流,但没有对不平衡电网下的环流抑制策略进一步研究。文献[11-12]研究了不平衡状态下，基于MMC的直流输电系统的控制策略，但没有考虑不平衡状态下MMC内部环流与子模块电压的波动情况。文献[13]研究了不平衡电网下，MMC换流站直流母线电压的波动规律，提出了通过检测桥臂输出电压来抵消直流母线电压二倍频波动，但需要额外增加电压传感装置。文献[14-15]针对不平衡条件下，指出MMC环流存在正序、负序和零序分量，在三相静止坐标系中设计了比例积分谐振控制器对正负序和零序分量分别进行抑制，在一定程度上简化了控制结构，但也没有考虑子模块电容电压情况。本文首先对不平衡电网电压下桥臂环流和子模块电容电压波动情况进行分析，针对在不平衡电网电压下，直流侧电压会出现二倍频波动，子模块电容电压波动也会增大情况，一方面通过对零序环流的抑制，来保证直流电压的恒定，另一方面通过对上下桥臂注入一定的二次负序环流，来减少子模块电容电压波动，提高了MMC换流器的不平衡故障穿越能力。

2 MMC的数学模型分析

图一为MMC的拓扑结构图，它的每个桥臂由N个级联的子模块SM（Sub-Module）和一个桥臂电感L串联组成，子模块SM一般由半桥结构的IGBT和直流电容C构成，在正常情况下，子模块的IGBT处于互补的导通状态，当IGBT1导通时，子模块处于投入状态，输出直流电容上的电压，并且桥臂电流对电容进行充放电，直流电压会产生波动。当IGBT2导通时，子模块处于切除状态，此时输出电压为0，电容处于悬浮状态，电容电压大小保持不变。桥臂电感L串入可以为上下桥臂输出电压和与直流母线电压的偏差提供感性的阻抗，从而抑制MMC桥臂之间或桥臂与母线之间的交流环流。

图1 MMC拓扑结构图Fig.1 Topology of the MMC

以a相为例，假设子模块的开关频率远大于电网频率，单个桥臂上每个子模块的调制波一致，子模块的电压变化规律相同。设Vdc为直流母线电压，ia为变流器输出电流，ipa、ina分别为上下桥臂电流，upa、una分别为上下桥臂输出电压，有

其中:

idiffa为变流器a相的内部环流，其中式（1）为MMC的外部输出电流模型，与传统两电平换流器没有明显差别。式（2）为MMC内部环流控制模型。因为内部环流只与上下桥臂输出电压之和与直流电压的偏差有关，所以上下桥臂输出电压同时减去或加上udiffa，可以在不对变流器的输出电压产生影响的前提下，对内部环流产生控制作用。因此在对环流进行控制的情况下可将上下桥臂的参考电压取为:

3 不平衡电网电压下MMC环流分析

当电网发生单相接地或两相相间短路故障时，电网电压可以分解为正序、负序和零序分量，在采用三相三线制的情况下，可以不考虑零序分量的作用。与两电平集中电容换流器不同的是，MMC换流器采用内部分布式的电容储能，即使输入电网的功率大小存在波动，分布式的电容也可以起到缓冲这部分功率的作用，因此不但可以在电网电压发生不平衡故障时抑制电网电流的负序分量使网侧电流平衡，而且还不引起直流侧电压发生波动，所以本文换流站的外部控制以抑制负序电流为目标。此时换流器的输出电压不只有正序分量，还需要加入一定的负序分量。当不对桥臂环流进行控制，可以设上下桥臂的调制波分别为:

ia为正序输出电流的幅值，ψ为输出电流的初相角，假设子模块的参数一致，同一个桥臂上的电容电压大小相等，a相上下桥臂的实际输出电压之和可以表示为:

把（7-10）带入（11），设a相桥臂环流中没有交流分量，并去掉被积函数的直流量化简可得桥臂的实际输出电压的交流分量为:

其中

从式（2）可以看出，式（12）中的上下桥臂输出电压之和的交流分量会引起与之对应的桥臂环流，式（12）中的第一行和第三行为负序分量，第二行和第四行为零序分量，第五行为正序分量。若桥臂环流只含有直流分量，因此桥臂输出会出现二次正序、二次零序、二次负序分量。一般而言正序分量的大小相比于负序和零序要小得多，所以忽略正序分量。如图2所示，零序环流不能在三相桥臂之间流动，会进入直流母线侧，影响另一端换流站的运行。因此必须对环流的零序分量进行抑制，防止其影响其他换流器的正常运行。研究表明，环流的二次负序分量可以减少子模块电容电压的波动[16]，本文不直接对二次环流的负序分量进行完全抑制，而是利用其在不显著增加桥臂电流的情况下减少子模块电容电压的波动。

图2 环流等效电路图Fig.2 The equivalent circuit of circulating current

4 不平衡故障时子模块电压波动分析

以上只考虑了不平衡状态下MMC的环流，并没有考虑对其电容电压的波动大小的影响。因为MMC采用分布式的储能电容结构，一般而言，网侧换流站每相输送到电网的功率存在不可避免的二次波动，这部分能量会存储在子模块电容中，使电容电压产生波动。在电网不平衡时，电容电压的波动情况会变得更加复杂。下面对不平衡电网电压下子模块电容电压的波动情况进行分析。当考虑环流控制器的工作时，MMC上下桥臂的调制波可以修正为:

m0为抑制二次零序环流的二次零序分量，根据电容的冲放电公式可将上下桥臂电容电压表示为:

假设桥臂环流的交流分量不为零，mdiffa为环流控制量的调制比，一般而言环流控制量的调制比远小于反电动势的调制比。把（9）（10）（14）（15）带入（16）（17）可得桥臂电压和与桥臂电压差的波动量为:

此时:

从式（18）和（19）可以看出上下桥臂电压之和以二次负序分量为主，并且在电网电压不平衡时，会出现二次零序的波动量。而上下桥臂电压差的波动以正序基频分量为主，当电网电压不平衡时，会出现负序的基频波动。当换流器工作在抑制负序电流分量时，只有正序电流能参与能量的传递，而正序电压在不平衡故障情况下，其幅值会降低，因此正序电流的幅值会变大，桥臂上电容电压的波动也会变大。为了保证子模块电容的安全运行，可以再加入少量的环流，来减小子模块电容电压的波动。

5 电网不平衡故障时的控制策略

电网不平衡故障时，不仅要对桥臂上的零序环流进行抑制，还要尽可能降低子模块电容电压的波动。从式（18）可以看出，在已知主负序电压调制波的幅值时，两倍频的负序或零序波动很容易通过在环流中加入负序或零序分量来消除。根据在前文的分析可知，零序环流分量会影响机侧换流站的运行，所以只能选取两倍频的负序环流分量对两倍频电容电压波动进行抑制。此时二次环流的交流分量可以取为:

此时可以抵消掉式（18）中的第二个负序积分项，式（18）中的第三个零序积分项由于零序分量会影响其他换流站的运行而不能抵消。此时式（19）中的电压差的波动主要为:

从式（22）可以看出当桥臂环流中加入负序的二次分量后，在电压不平衡度不大的情况下，还可以抵消一部分基频波动。由此可见在桥臂环流加入幅值为，相位为正序调制波的相位与交流输出电流相位和的二次负序分量，可以实现对子模块电容电压波动的抑制。虽然加入二次零序分量也能够减少子模块电压的波动，但是零序分量会影响网侧换流站的正常运行。而且零序分量在同步旋转坐标下也为交流分量，不适合在旋转坐标中进行控制，所以本文采用可以直接对交流分量进行无差跟踪的比例谐振控制器对零序分量直接进行抑制。而对于负序环流的控制，可以在同步旋转坐标系下进行，其中负序电流的矢量角为:

负序电流的幅值也可以表示为:

电网不平衡故障时，网侧换流站的内部环流控制框图如下。图中ωd为谐振频率，ωc用来增大谐振控制器谐振频率附近的带宽和增大控制系统的相角裕度。值得注意的是在不平衡电网电压下，基于载波移相调制的稳压控制采用桥臂电压和的外环与环流内环的串级控制，由于上下桥臂电压和的二次波动不能完全消除，所以稳压控制模块的带宽过大，否则会干扰桥臂环流的控制效果。

图3 MMC内部系统控制框图Fig.3 The diagram of MMC inner control method

6 仿真分析

为了对本文算法进行验证，在MatlabSimulink仿真环境中搭建基于MMC换流站的4电平小型模拟直流输电系统。其中换流站每个相单元有6个子模块构成，具体参数见表1。

表1 MMC换流站仿真参数表Tab.1 Parameters for MMC

本文仿真时间为1s, 取额定值为基值，MMC在不平衡电网电压下工作，其中B相的电压为其他两相的10%，在0到0.1s的波形如图4所示。在0-0.3s此段时间内不对直流母线电压和桥臂环流进行控制，从图5可以看出直流母线电压存在2倍频的波动，此波动是由零序环流引起的。

图4 电网电压波形图Fig.4 The diagram of grid voltage

图5 直流母线电压波形图Fig.5 The diagram of DC link voltage

0.3 s后，基于比例谐振控制的零序环流控制算法开始投入，从图5可以看出直流母线电压的二次波动得到抑制。在0.5s-0.7s时间段内，对桥臂环流的交流分量进行完全抑制，此时三相桥臂环流的仿真结果见下图6。

图6 三相环流波形图Fig.6 The diagram of three phase circulating current

在0.5s-0.7s时间段内，可以看出由于电网电压的不平衡，桥臂环流的直流分量也变得不平衡。在0.7s-1.0s时间段内，按照本文的控制算法，在桥臂环流中加入一定的二次负序环流。整个过程中上桥臂ABC三相第一个子模块电容电压的波形如图7所示。从图中可以看出在0.5-0.7s时，即使桥臂环流的交流分量完全抑制，子模块电容电压的波动也没有明显的变化，但在0.7s后加入一定的负序环流后，子模块电容电压的波动出现了一定的下降。仿真结果验证了本文所提算法的有效性。

图7 三相上桥臂子模块电容电压波形图Fig.7 The upper arm SM voltage in phase A B C

5 结论

针对基于MMC的直流输系统在不平衡电网电压下桥臂环流会出现二次零序分量，并影响其他换流站运行及直流侧电压的问题，本文通过对零序环流的抑制来消除直流母线电压的波动控制策略。并且分析了子模块电容电压在不平衡电网电压下的波动情况，根据分析结果，提出了在桥臂环流中加入一定的二次负序分量来减少子模块电容电压的波动的控制策略。仿真结果表明此算法可以提高基于MMC的直流输电系统的不平衡故障穿越能力，降低子模块电容电压的波动。

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Unbalanced Grid Fault Ride-through Control Method of HVDC Power Transmission Based on Modular Multilevel Converters

Wu Liao Shoudao Huang Sheng Huang Hui Wang
（State Research Center Power Conversion and Control Engineering Technology Hunan University Changsha 410082 China）

Modular Multilevel Converters(MMC) will have the positive, negative and zero sequence second harmonic circulating current in the flexible HVDC system under asymmetric AC voltages. Zero-sequence can not cancel each other in the three-phase leg, and will flow into the high-voltage DC side, which will affect the other converter station in flexible HVDC system. On this basis, a control strategy to suppress the zero sequence second harmonic circulating current was presented. For the Submodule(SM) capacitor voltage fluctuation will increase under unbalanced grid fault, SM capacitor voltage control method which injects the negative sequence second harmonic circulating current was presented. Simulation model of MMC-HVDC is built in Matlab/Simulink and verify the correctness of the algorithm.

Modular Multilevel Converter(MMC), Flexible DC transmission, Unbalanced Grid Fault, SM capacitor voltage fluctuation

TM315

廖 武 男，1988年生，博士研究生，研究方向为柔性直流输电技术。

国家国际科技合作专项项目(2011DFA62240)，国家自然科学基金(51377050)。

2014-07-10

黄守道 男，1962年生，教授，博士生导师，研究方向为新能源发电技术。