MMC-HVDC 阀组控制策略分析

赵海颐，冉华军

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

1 MMC-HVDC电路拓扑与工作原理

模块化多电平高压直流输电系统（MMC-HVDC）换流器的各相由总数为2N的子模块串联构成，结构如图1所示，其中第i模块的结构如图2所示。换流器常态工作时，任意时刻各相投入N个子模块，上、下臂中投入子模块数随时间按正弦规律进行计算分配，从而输出三相交流正弦电压。

图1 MMC-HVDC拓扑结构

MMC-HVDC采用分层控制以提高运行可靠性、可用率和安全性，由上至下依次为系统控制层、极控制层和阀组控制层（如图3所示）。极控制层传送调制比M及移相角δ指令至MMC-HVDC控制系统的最底层控制层——阀组控制层，阀组控制层包含相间环流抑制、调制以及电容电压平衡控制等环节，产生触发脉冲触发换流器阀子模块[1-2]。

图2 MMC子模块拓扑结构

图3 MMC-HVDC控制系统示意图

2 相间环流抑制策略

2.1 相间环流分析

MMC三相桥臂在直流侧并联，稳态运行时各桥臂直流电压严格一致。然而，分布式MMC电容使各相能量分配不均衡，引起了电容电压波动与不均衡，造成各桥臂间电压不均衡，使相间产生内部环流，桥臂电流波形畸变，器件额定电流提高。因此，应设计控制策略抑制环流。图4为环流分析原理图，各桥臂建模为桥臂电抗与受控电压源串联支路，采用下标p、n以区分上、下桥臂的变量。

文献[3-4]分析指出，MMC上、下桥臂电压不均衡引起三相桥臂间流动的内部环流，环流频率为两倍基频并具有负序性质，不影响外部系统。MMC各相结构对称，由KCL可写出桥臂电流表达式为：

式中，ipj、inj为j相桥臂电流，ij为交流侧线电流，icjrj为j相上下桥臂环流。环流因受桥臂电抗器限制其量值并不大，但相间两倍频负序电流使桥臂电流波形发生畸变，并影响电容电压平衡。

图4 MMC相间环流原理图

2.2 环流抑制原理

环流引起的各相不平衡压降为：

设出口电压为uj，上下桥臂电压为upj、unj，则由KVL可得：

由式（3）可得：

式（4）表明，不平衡压降为环流在桥臂电抗器上的压降，是直流电压与上下桥臂电压之和不相等引起的。为了将成熟的VSC功率控制策略和电流控制策略植入MMC控制系统，以抑制或者尽量降低环流造成的不平衡压降，实现其上下桥臂电压均衡控制，环流抑制控制器结构框图如图5所示[4]。

图5 环流抑制控制器结构框图

图5 中，桥臂电流ipj与inj( j=a,b,c)求和运算后除以2得到三相环流icirj，然后对其进行两倍频负序坐标变换Tacb/dq得到dq轴分量i2fd和i2fq，与参考值i2fd_ref=0和i2fq_ref=0间的误差作为PI调节器输入量，并引入2ω0L0i2fd、2ω0L0i2fq（ω0为基波角频率）电压前馈量消除dq轴耦合，形成dq轴不平衡压降参考值ucird_ref和ucirq_ref，对其进行逆变换Tdq/acd得到三相负序不平衡电压降参考值ucirj_ref( j=a,b,c)并作为调制环节输入，从而实现环流抑制。

式（5）和式（6）中，θ=2ω0t，相序均为a-c-b。

3 最近电平逼近调制阶梯波调制策略

调制策略是MMC多电平换流器实现传输功率的重要环节，其调制效果直接影响输出电压谐波特性与换流器损耗。与PWM调制相比，阶梯波调制开关频率低，具有较小的开关损耗。对于电平数很多的换流器，因无需控制脉冲宽度，阶梯波调制简单易实现，具有明显优势[5]。MMC-HVDC为提高直流电压通常采用上百个子模块级联方式[6]，电平数巨大，基于阶梯波调制可获得优良输出特性，并大幅削弱谐波含量。此外，如此多电平数情况下采用PWM调制方式需要很高的开关频率，导致开关损耗上升，同时策略实现异常复杂，不适合MMC-HVDC。

具体实现阶梯波调制的方式包括特定消谐法阶梯波调制（Selective Harmonic Elimination SM，SHESM）和电压逼近阶梯波调制。SHESM调制波幅值随时间变化，计算量较大，具有较好的稳态性能，但动态性能较差，且实现复杂程度随电平数的增加剧增。电压逼近阶梯波调制策略有两种方案——空间矢量调制和最近电平逼近调制（Nearest Level Modulation，NLM），基本思想是各个控制时刻使用最接近电压矢量或最接近瞬时电平逼近调制正弦波，适用于多电平应用场合[7]。MMC-HVDC系统电平数极多，空间矢量方案实现较复杂，通常采用NLM[7]。

假定各模块电容电平值均为UC，对各子模块分别予以控制，各子模块输出电平叠加构成输出阶梯波，形状逼近正弦调制波um(t)，如图6所示。图6中，θi为首个1/4周期投入第i个电平的电角度，s为投入电平数。

假设MMC各相桥臂共有2N个子模块（通常N为偶数）。为确保直流电压恒定，上下桥臂任意时刻投入子模块总数为N。若上下桥臂投入子模块数相同即均为N/2，则输出电压为0。将一个完整调制波周期划分4个1/4周期时段，第1个1/4周期正弦调制波瞬时值从0开始上升，该时段内下桥臂投入子模块数需逐渐增加，上桥臂投入子模块数需相应减少（上下桥臂投入子模块总数保持不变），该相总输出电压也逐渐增加，波形逼近正弦调制波，误差可控制在±UC/2以内[8]。当上桥臂投入子模块数为np（0＜np＜N）时，下桥臂投入子模块数nn=N-np，上下桥臂投入子模块数分别为：

式（7）中，round(x)表示取最接近x的整数，因此电平逼近调制也称为量化取整法。

图6 基于正弦逼近的阶梯波调制策略原理图

4 电容电压平衡控制策略

桥臂各子模块不同投入时刻、不同桥臂电流、不同电容损耗以及电容值偏差等因素，都会引起子模块电容电压不平衡，导致直流电压不稳定，并产生两倍频负序相间环流[3]。因此，站级控制器必须具有实现换流器子模块均压功能，并选择能以合理开关频率实现的控制策略，为并联在直流侧的结构相同的三相单元提供稳恒直流电压，保证MMC-HVDC换流器正常运行[8]。

通常采用均压排序法实现电容均压控制，具体实现方法为：接口电路对各子模块电容电压以毫秒级采样速率进行采样，同时确定桥臂电流方向；上层控制器对子模块电容电压按大小进行排序，并根据桥臂电流方向及需投入子模块数投入和切除相关子模块。电流流入子模块使子模块充电，投入此类子模块可提升其电容电压；电流流出子模块使子模块放电，投入此类子模块可降低其电容电压。基于均压排序原理的均压控制策略，既可保持电容电压稳定，也可实现开关器件损耗的均匀分布。

为保证各子模块电压均衡，必须在极短时间内检测各子模块电容电压并进行相应的投切操作。IGBT器件高频通断，致使开关损耗増加。因此，在进行均压控制时，需重点关注对电压偏离额定值较多的子模块。增大电容电压偏离额定值较少的子模块在触发控制下一次动作时，保持原来投切状态的可能性，以降低器件的开关频率。为使更多子模块保持原状态，在对子模块电容电压排序时增加两个保持因子，将电容电压偏离额定值较多的子模块作为平衡控制的重点，有效地降低元件的投切次数，从而减少开关损耗。具体实现方法为：当子模块因桥臂电流充电时，先将处于投入充电状态子模块的电容电压以及电容电压过低且处于切除状态子模块电容电压分别乘以一个略小于1的保持因子HF1，在此基础上对所得结果进行排序后决定各子模块投切控制。电压的降低增大了这些子模块在下一次触发控制时保持或投入充电状态的可能性。当子模块因桥臂电流放电时，先将处于投入放电状态子模块的电容电压以及电容电压过高且处于切除状态子模块的电容电压乘以一个略大于1的保持因子HF2，在此基础上对所得结果进行排序后决定各子模块投切控制。电压的升高增加了这些子模块下一次触发控制时保持或投入放电状态的可能性。图7是基于双重保持因子电容电压平衡控制策略框图[1]。

5 阀组控制冗余配置策略

柔性直流输电换流阀控制保护性能的优劣，直接决定换流阀及整体系统的安全可靠。为了达到工程要求的可用率和可靠性指标，柔性直流输电换流阀控制保护系统采用双系统热备份冗余设计。阀控系统和换流器控制保护装置A和装置B，两套系统完全独立，同时接收换流站级控制保护装置的命令。经过A、B两套系统的协调判断后，确定脉冲分配装置的控制保护指令。冗余控制系统设计可保证系统不会因任一单重故障而发生停运，也不会因单重设备故障而丧失监视、控制和保护功能。

换流器控制保护和阀控冗余切换逻辑，如图8所示。换流器控制保护A每一个通信周期都会将本机的故障状态（健康、轻微故障、严重故障、紧急故障）和值班/运行状态以通信的方式告诉换流器控制保护B以及站控A、站控B，同时会有单独的值班/运行脉冲信号控制阀控A的值班/运行状态。换流器控制保护A接收阀控A的请求切换信号。同理，换流器控制保护B每一个通信周期都会将本机的故障状态（健康、轻微故障、严重故障、紧急故障）和值班/运行状态以通信的方式告诉换流器控制保护A以及站控A、站控B，同时会有单独的值班/运行脉冲信号控制阀控B的值班/运行状态。换流器控制保护B接收阀控B的请求切换信号。

图8 冗余切换逻辑

只有当换流器控制保护A、B的状态处在同一级别且处于健康或轻微故障状态时，才允许数据采集与监控系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）发送切换命令。换流器控制保护和阀控装置采用一对一绑定关系，同时切换换流器控制保护系统和阀控系统。

MMC换流器各相投入子模块数必须维持在N个，才能确保输出直流电压的稳定。一旦MMC某桥臂上发生子模块故障，该桥臂甚至整个换流器将不能正常工作甚至退出运行，给整个MMC-HVDC系统带来冲击，大大降低系统的稳定性与可靠性。因此，对各桥臂子模块应配置故障冗余控制保护，并在各桥臂加装一定数量的备用冗余子模块。当换流器桥臂上故障子模块数小于等于冗余子模块数时，换流器仍然能保持正常运行。

6 结 论

分析MMC-HVDC相间环流产生原因和环流抑制原理，分析MMC-HVDC中较常用的NLM调制方式的原理及实现方式，并在此基础上进一步研究基于双重保持因子的电容电压平衡控制策略，重点介绍阀组控制冗余配置方案，对全面理解MMC-HVDC的阀组控制策略有较好的指导作用。