基于MMC的柔性直流系统控制策略研究

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(1.西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021;2.电力规划总院有限公司，北京 100120;3.国网冀北电力有限公司，北京 100054)

0 引 言

电压源换流器(voltage source converter, VSC)结构简单紧凑，具有自换相能力，能有效避免换相失败问题，同时还能够对有功/无功功率进行独立控制，在直流输电领域得到了广泛的应用，已建成的柔性直流输电工程主要为两电平和三电平的VSC。但是VSC也存在缺点：首先，由于换流器电平数量限制，VSC输出特性不稳定，在工程中需要提高开关频率使用高频PWM调制策略来改善输出特性，造成较高的开关损耗；其次，VSC桥臂中开关器件的串联均压技术实现困难，严重制约了VSC在更高电压等级的柔性直流输电系统的应用。

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC) 由于具有公共的直流母线，通过增加换流器级联数就可以提高输出电压扩展到大功率输电，因此MMC被认为是更适合应用于柔性直流输电领域的新技术。文献[1]分析了MMC的拓扑结构及工作原理，得出了理论等效电路模型；文献[2]对MMC-HVDC系统进行了数学建模，但该模型选择了与传统VSC相同的控制策略，直流电压波动较大。文献[3]将空间矢量脉冲调制策略用于MMC中，提出了调制策略的通用算法。文献[4]采用多电平消谐波调制策略，在降低换流器开关频率的同时实现了谐波抑制。

下面通过分析MMC拓扑结构及其工作原理，研究MMC-HVDC系统的简化数学模型，并根据该模型将传统的VSC控制策略应用到全桥MMC系统中，提出有功/无功控制策略实现系统有功/无功的快速跟踪。最后在PSCAD/EMTDC中对有功阶跃、有功翻转及有功/无功独立控制3种工况进行了仿真验证。

1 MMC的拓扑结构及其控制参数设计

图1为三相模块化多电平换流器的拓扑结构图。图中：ua、ub、uc和ia、ib、ic分别表示交流系统三相输入电压和电流；Ud和Id分别表示直流侧输出电压和电流，“O”表示直流侧虚拟中性点。相比于传统VSC，MMC由3个相单元组成，在直流侧正负极之间没有直流储能电容。相单元由两个电抗L0和n个子模块(SMn)串联而成的桥臂组成。MMC子模块主要有半桥子模块和全桥子模块两种，如图2所示。

图1 MMC的拓扑结构

半桥子模块由一个作为开关单元的IGBT半桥和一个直流储能电容C0组成，其中IGBT半桥包含两组IGBT(T1、T2)和续流二极管(D1、D2)。对于半桥子模块，令直流电容电压为Uc，子桥模块输出电压为USM。子模块根据内部T1、T2的开关状态及电流方向，可以分为闭锁、全电压和零电压3种常见运行状态。

1)闭锁状态：T1、T2均关闭。此时电流经D1给电容充电，或经D2旁路子模块。闭锁状态一般在MMC启动或系统发生故障时使用。

图2 半桥及全桥子模块拓扑结构

2)全电压状态(投入状态)：T1导通，T2关闭。电流经T1放电或经D1给电容充电，此时子模块端口电压等于电容电压，即USM=Uc。

3)零电压状态(切除状态)：T1关闭，T2导通。此时子模块被D2或T2旁路，子模块端电压等于0。

全桥子模块则是由4个IGBT(T1至T4)和4个反并联二极管(D1至D4)以及一个直流储能电容C0组成。定义全桥MMC流入子模块正端口为桥臂电流正方向，反之为负。T1、T4导通，USM=Uc，T2、T3导通，USM=-Uc；T1、T2或T3、T4导通，USM=0。因此，根据IGBT导通方式的不同，全桥子模块可分为两种工作模式：PLUS模式和MINUS模式。PLUS模式下子模块交替地输出Uc和0；MINUS模式下子模块交替地输出-Uc和0。同时，全桥子模块的运行状态也可分为闭锁、切除和切除3 种。

1)闭锁状态： T1至T4全部关闭，电流经D1和D4给电容充电，或电容经D2和D3反极性接入电路。这种状态应用在系统故障时或在预充电不控整流阶段。

2)投入状态：T1和T4导通，T2和T3关闭，正方向时，电流经D1和D4给电容充电；反方向时，电流经T1和T4放电。此时，全桥子模块电容器被接入到主电路中，输出电压为电容电压。

3)切除状态：T1和T3导通，T2、T4关闭，正方向时，电流经D1和T3将子模块旁路；反方向时，电流经D3和T1将子模块旁路。

2 有功/无功控制

图3为典型MMC-HVDC系统的基本控制策略框图。送端及受端换流器均包含有功功率控制器及无功功率控制器，同时有一端包含直流电压控制器。具体的控制组合主要取决于交流系统情况的改变。一般对于两端有源系统网络，可以在整流侧采用有功/无功控制，逆变侧采用直流电压和无功的控制组合。典型MMC-HVDC系统的控制策略可以分为内环电流控制器与外环功率控制器两部分。内环电流控制器决定了MMC-HVDC系统的直流侧输出特性，外环控制器决定了MMC-HVDC系统的基本控制方式。内环电流控制器通过调节MMC输出电压，使坐标轴电流快速跟踪参考值；外环控制器可根据系统功率以及直流电压，计算内环电流控制器的d、q轴电流参考值。

在稳态下，电网三相平衡，系统的电压和电流均只含有正序分量。根据图4所示的MMC拓扑结构，可得到MMC在d、q坐标系下的状态方程为

(1)

式中：usd、usq为网侧电压的d轴和q轴分量；id、iq为网侧电流的d轴和q轴分量；vd、vq为阀侧交流电压的d轴和q轴分量；ω为电网角频率。

MMC交流侧功率和直流侧功率可分别表示为

(2)

Pdc=UdcIdc

(3)

在正常情况下，usq=0，那么由式(2)可得交流系统送入MMC的功率的直流分量为

(4)

1)内环电流控制器

在动态调节过程中，由于d轴电流和q轴电流

图3 双端MMC-HVDC系统控制框图

图4 MMC的基本控制策略结构框图

之间存在耦合关系，难以实现单独控制。内环电流控制器的作用就是让d轴和q轴电流分量独立解耦合控制，使电流能够快速跟踪参考值。图5为内环电流控制器结构图。通过PI控制并引入电压前馈和耦合补偿，可得内环电流控制器的输入变量为

(5)

将式(5)代入式(1)可得d、q轴电流表达式为

(6)

可见，d、q轴电流之间实现了解耦。

图5 内环电流控制器结构

2)外环功率控制器

MMC中引入了内环电流控制器和外环功率控制器。内环电流控制器使得d轴和q轴电流解耦合并能快速跟踪参考值，外环功率控制器则能够根据系统变化及系统参数来确定内环电流参考值。通过内外控制器的综合作用可以有效对系统的功率变化进行跟踪，实现系统有功/无功控制。由于实际中为了防止器件过电流，一般认为负序电流的参考值为0。由此根据式(4)可得d轴和q轴电流参考值以及定直流电压控制下d轴电流参考值分别为

(7)

(8)

需要特别说明的是，双端MMC-HVDC系统正常运行时，若送端换流器采用定直流电压控制和无功控制，则受端可采用有功/无功控制，反之亦可。

3 仿真验证及分析

为了验证MMC-HVDC系统模型的正确性及有功/无功控制策略的有效性，基于PSCAD/EMTDC仿真软件，通过搭建典型MMC-HVDC的双端系统，在有功功率阶跃、有功功率翻转和有功/无功独立控制3种典型情况下对前面所述控制策略进行了仿真验证。

1)有功功率阶跃情况下的仿真

初始时，设定系统传输有功功率为1000 MW，无功功率为0 MVA；在3.5 s时，有功功率设定为600 MW，无功功率为0 MVA；直流电压一直保持640 kV不变。仿真结果如图6所示：其中(a)、(b)

(a)送端有功功率/无功功率

(b) 受端有功功率/无功功率

(c)送端直流电压

(d)受端直流电压

分别为送端和受端有功/无功波形，可见系统的有功、无功能够快速跟踪指令值的变化，解耦性能较好；(c)、(d)分别为送端与受端直流电压波形，可见有功功率发生阶跃时，系统直流电压波动较小，即使发生波动也能较快地恢复稳定值，保持系统稳定。

2) 有功功率翻转情况下的仿真

直流电压为640 kV不变，在启动完成后MMC1侧的有功功率设置为1000 MW，3.5 s时设为-600 MW。仿真结果如图7所示。可见，当系统有功功率发生翻转时，系统有功和无功均有较快的响应速度，能较快恢复稳定运行，并快速实现潮流翻转。

(a)送端有功功率/无功功率

(b) 受端有功功率/无功功率

3) 有功/无功独立控制情况下的仿真

直流电压640 kV，在启动完成后MMC1侧的有功功率设置为1000 MW，3 s时设为800 MW。无功功率初始值为0，4.5 s时设为200 MVA。

仿真结果如图8所示，由图可见当系统的无功功率和有功功率发生阶跃时，系统显示出良好的解耦性能，有功功率和无功功率之间相互影响较小，系统的功率能够快速跟踪系统的变化。

4 结 语

研究了MMC-HVDC拓扑结构及其数学模型，并简化了电路模型。将传统VSC的功率控制策略应用到MMC系统中，设计了适用于MMC系统的有功/无功控制策略。通过在PSCAD/EMTDC环境下搭建21电平双端MMC-HVDC系统模型并进行3种常见工况的仿真研究，验证了所建简化数学模型的正确性和所提控制策略的有效性。

(a)送端有功功率/无功功率

(b) 受端有功功率/无功功率