MMC柔性直流输电系统功率骤变附加控制

付 贵，王孜航，李 江，崔伟峰

(1.国网吉林省电力有限公司 吉林供电公司，吉林 吉林 132021；2.国网大连供电公司，辽宁 大连 116001；3.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

模块化多电平换流器(MMC)最早是由R.Marquardt和A.Lesnicer于2002年提出的新型电压源换流器拓扑结构[1]，通过子模块级联的方式替代传统开关器件直接串联的方式，具有低谐波含量、可自关断和电压等级容易拓展等优点[2].同时它可以对有功功率和无功功率单独控制[3]；当电压源换流器功率反转时直流侧电压极性不变；且不存在换相失败问题.根据其技术特点，柔性直流输电技术适用于风场并网、交流系统异步互联、孤岛供电、分布式发电并网、多端直流输电和城市配电网地下改造等领域[4～6].针对模块化多电平柔性直流输电技术应用已成为发展趋势和研究热点[7].

文献[8]讲述了直接电流控制可以作为MMC站级基本控制策略.文献[9]针对电压不平衡情况，通过分析计算MMC内部不平衡电流序分量，提出控制策略有效抑制了系统有功功率的波动.文献[10]提出一种电网电压不平衡时的无差拍直接功率控制策略，该策略省略了电流内环，因而无需复杂的参考电流计算，避免了使用多个PI调节器和多个PI参数难以整定的困难，可实现对有功和无功的直接控制，响应速度快.文献[11]提出特高压直流闭锁后的省间紧急功率支援优化调度策略，该策略通过网省两级调度协调控制，可实现特高压直流闭锁后省间紧急功率支援的协调优化调度，仿真验证了所提控制策略的有效性.文献[12]提出了能够识别交流系统中受到电压稳定限制抵御直流功率转移能力最弱母线的判定指标，并在我国华中电网这一实际电网系统中进行了仿真验证，结果与理论分析完全相符.

模块化多电平换流器可以实现功率四象限运行，当与直流系统互连的交流电网出现功率波动时，通过柔性直流输电系统的快速功率调节作用，可以提高互联的交流电网的稳定性.然而直流系统的紧急功率调节会受换流器母线电压的影响[13]，如果换流站母线电压恶化，会影响直流系统在紧急功率支援时的运行状态，造成直流系统在非正常运行状态下无法有效地提升输送功率，非但不能对交流电网提供功率支援，还有可能恶化电网的稳定性[14].

本文首先对MMC基本结构及工作原理进行分析，在总结MMC系统基本控制策略的基础上，深入研究MMC系统对功率的控制，针对接入系统的交流电网功率出现缺额时的不平衡运行状态，提出柔性直流输电系统功率骤变附加控制环节，最后基于MATLAB搭建51电平MMC交直流混合系统仿真模型，通过数值仿真验证所提出的柔性直流输电功率骤变附加控制的有效性.

1 MMC基本结构与工作原理

1.1 MMC简化电路

MMC基本拓扑结构[15]，如图1所示.它是由三相六个桥臂组成，每个桥臂由若干个子模块(Sub-Module，SM)级联而成，同相的上、下两个桥臂构成一个相单元.

图1 MMC简化电路

1.2 MMC工作原理

由如图1可知，与常规的两电平拓扑结构相比，直流侧的稳压电容被均匀的分布到三个相单元子模块当中，通过控制子模块的开通与关断，可以灵活调整子模块的投入与切除，有效维持直流侧电压恒定，同时实现交流侧输出三相交流电压[16].各子模块的基本工作状态，如表1所示.

表1 子模块的基本工作状态

以a相为例进一步说明MMC的运行原理：ua1和ua2分别为a相的上、下桥臂电压，O为换流器的参考点，直流侧正负极直流电压相对参考点分别为Udc/2和-Udc/2，uva为a相输出的交流电压，根据KVL[17]可得：

ua1+ua2=Udc.

通过对三个相单元上、下桥臂投入运行的子模块个数进行分配，从而实现对换流器输出的交流电压的调节.

由于换流器中的相单元严格对称，且直流电压等于相单元中上、下桥壁电压之和，为了维持直流电压恒定，在每个控制周期每相要投入N个子模块[18].

2 MMC系统基本控制

图2 功率内、外环解耦控制

柔性直流输电系统的基本控制方式分为三个层次，按其功能由高到底依次分为系统级控制、换流站级控制和换流器阀级控制[19～21].然而系统对有功功率和无功功率的控制，实质上是对电压源换流器输出电压的控制，具体采用直接电流控制策略，直接电流控制是在旋转坐标系下构建换流器数学模型，由有功功率、无功功率和直流电压指令生成交流电流指令，以跟踪换流器交流电压的调节变化.

目前针对两端柔性直流输电常用控制方式是矢量控制，具体可分为内环电流控制器和外环控制器，如图2所示.内环电流控制器通过调节换流器输出电压，使dq轴电流快速跟踪参考值；外环控制器可根据有功和无功功率以及直流电压参考值，计算出内环电流控制器的dq轴参考值[22].

3 功率骤变附加控制

MMC工程上功率控制数学模型为

(1)

MMC中每相上、下桥臂瞬时功率表达式和为

Pi=upiipi+uniini=Pcap_i+Ploss，

(2)

其中：i为a、b、c三相；Pcap_i为每相子模块电容储存瞬时能量之和；Ploss为每相等效电阻损.MMC中上、下桥臂等效的电压、电流分别为

(3)

(4)

其中：kp(t)、kn(t)为子模块投入系数；N为子模块个数.

考虑到桥臂子模块数量充足时，其投入系数可以表示为

(5)

MMC内部电阻不可忽略，考虑到桥臂电阻时，上、下桥臂电流表示为

(6)

将公式(3)和公式(6)带入公式(2)可得：

(7)

正常运行工况，MMC上、下桥臂子模块电容电压之和与直流电压实时平衡，但由于MMC内部具有二倍频负序环流，所以子模块电容含有二倍频电压波动，因此上、下桥臂电压表达式为

(8)

将公式(8)带入公式(7)可得：

(9)

考虑到MMC对子模块有较强的均压控制作用，可以很好的抑制子模块中二倍频电压波动[23～24]，即Δui2f很小，其平方项(Δui2f)2可被省略.因此，系统稳态时MMC三相桥臂瞬时功率[25]之和为

(10)

图3 功率骤变附加控制

在系统稳定运行时，从MMC三相桥臂瞬时有功功率公式中可以看出，公式(10)中子模块电容Csm，桥臂子模块数N，还有Rloss均为常数，因此交直流混合系统中有功功率与直流电压的平方存在比例微分关系，所以将实时测量得到的直流电压，通过控制PD参数，可以参与到有功功率附加控制环节中.最后基于系统有功功率和直流电压的平方成比例微分关系，提出功率骤变附加控制策略，控制策略如图3所示.

4 仿真结果与分析

4.1 仿真模型

含模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)系统的简化模型[26]，如图4所示.图4中MMC1与MMC2为模块化多电平换流器，交流系统等效为无穷大交流电源，通过变压器将交流电源和MMC相连.

图4 MMC-HVDC仿真模型

名称参数额定功率/PN150MW额定直流电压/UdcN±100kV联结变压器变比/K220kV/110kV变压器容量/SN280MVA桥臂电抗/L024mH桥臂等效电阻/R00.1Ω子模块电容器/C01000uF子模块额定电压/U04kV单桥臂子模块数/N50

为了验证本文所提出的紧急功率支援控制策略的有效性，参考国内外实际柔直工程的相关参数以及相关文献中提供的数据，在MATLAB仿真平台中搭建了51电平交直流混合系统仿真模型，其中变压器一次侧采用星型接线，二次侧采用角型接线，变压器容量为280 MVA，电压等级为220 kV，基本控制策略采用矢量控制，调制方式采用最近电平逼近调制方式，具体参数如表2所示.

4.2 仿真实验

为验证本文所提出的紧急功率支援附加控制策略的有效性，基于4.1节搭建的51电平交直流混合系统仿真模型，在MMC-HVDC系统中做功率翻转数值仿真实验，仿真系统中对MMC换流器1采用定直流电压和定无功功率控制，对MMC换流器2采用定有功功率和定无功功率控制.仿真开始到1 s时在MMC控制窗口向系统中注入0.8 pu(120 kW)有功功率，当有功功率稳定时，3 对MMC换流器2进行功率翻转实验(注入系统的有功功率由120 kW瞬时变为-120 kW)，观测MMC-HVDC系统有功功率和换流器直流母线电压变化情况.

图5 加控制前后有功功率波形对比

MMC-HVDC系统添加紧急功率支援控制策略前后，系统有功功率仿真波形对比图，如图5所示.当3 s时有功功率从-120 kW瞬时翻转，在添加紧急功率支援附加控制策略前，如图5(a)有功功率波形振荡0.3 s之后才稳定到设定值120 kW，相比较在添加附加控制策略后，如图5(b)所示，有功功率波形在0.2 s后立即稳定到设定值120 kW；同时可以看出，MMC-HVDC系统功率变化瞬间有功功率冲击值在添加附加控制策略后明显减小.仿真结果表明MMC柔性直流系统在添加紧急功率支援附加控制策略后，MMC-HVDC系统有功功率可以快速平稳地达到设定值.

此外，MMC-HVDC系统添加紧急功率支援控制策略后，换流器直流母线电压(以正极为例)波形对比图，如图6所示.当3 s时MMC-HVDC系统发生功率翻转时，换流器直流母线电压跌落到81 kV，在0.5 s后恢复到稳定值，在加入功率骤变附加控制后，换流器直流母线电压跌落到95 kV，在0.2 s后立即恢复到稳定值.结果表明在加入功率骤变附加控制后MMC直流母线电压波动明显变小，且快速恢复到稳定值.

图6 加控制前后正极直流电压波形对比

5 结 论

本文通过对MMC柔性直流输电系统功率控制方式的深入研究，发现了系统的有功功率和直流电压的平方成比例微分关系，提出了模块化多电平柔性直流输电系统的功率骤变附加控制策略，并基于搭建的51电平交直流混合系统仿真模型，在仿真模型中对功率进行了翻转实验，仿真结果表明：在MMC中添加功率骤变附加环节后，系统的有功功率和直流电压均可更加快速平稳地达到设定值，验证了所提出的模块化多电平柔性直流输电系统的功率骤变附加控制的有效性.