基于三相桥臂能量均分策略的MMC均压控制研究

邓雪松 刘淼睿 刘勤

摘 要 模块化多电平换流器（MMC）通过子模块串联可以实现电压等级的提高。系统稳定运行的先决条件是子模块电容的均压控制。本文从桥臂能量平衡的角度推导分析子模块电容电压不平衡原因。在基于载波移相调制策略中，叠加了三相桥臂能量均分控制分量实现均压控制。在PSCAD中进行了仿真，验证该控制策略比单相桥臂能量均分控制具有更好的抗干扰能力。

關键词 模块化多电平换流器（MMC）;桥臂能量均分;均压控制

引言

模块化多电平换流器（MMC）本质上属于VSC（电压源型换流器）的一中。由于其模块化的结构的特点，便于制造加工，成为柔性直流输电系统提高电压等级、大规模商用领域研究的热点。MMC本身的结构属性，直流端是没有单独的电容作为支撑的。MMC作为VSC的其中一类，系统的正常运行，直流侧电压必须保持稳定。同时，其子模块的连接方式，要求其中每一个小电容的电压互相之间保持均衡。因此，在MMC系统的控制策略中，必须考虑子模块的均压控制算法[1-2]。

1电容电压均压控制原理

根据MMC的工作特性[3-4]可推导得到其等效电路图，如图3所示，在直流端，PN之间的电压由可用2个电容等效代替，其电压大小为Udc。

以其中的a相为例，可以得到：

式中，Ua为交流侧电压的最大值，Isa为交流侧电流的最大值。定义电压调制比m，电流调制比k分别为：

可以推导得到系统的输入、输出功率分别为：

在稳态时，根据式（3），不考虑开关元件的损耗，根据能量守恒，可以推导出MMC其中一相桥臂的瞬时功率Pap（t）、Pan（t）分别为：

从式（4）可以看出，输入的有功功率全部输出到了直流侧。无功功率在相间交换，并且是二倍频的。

2电容电压均压控制器设计

当MMC处于稳态，每一项的能量为：

通过将环流控制在较低水平，确保每相的桥臂能量保持相当，可设计出控制器如图2所示。

在图2中，跟踪参考值，输出得到内环电流控制的参考值。在内环控制中，环流iz跟踪参考值，输出为电容电压平衡的调节分量UAref。通过上述控制器，可以使桥臂间的电容电压趋于一致，并抑制环流中。

在文献[3]中，仅由一个桥臂的2N个子模块的能量计算得到，即：

实际情况中，在MMC工作时，需确保三相之间的能量保持平衡，因此本文将由MMC三相的共6N个子模块计算得到，即：

本算法的优点在于当，即使其中一相的电容电压发生了变化，变化幅度会更小，使得系统的抗干扰能力更强。

因此，在载波移相调制策略中，叠加三相桥臂能量的调制波分量，在实现本身均压的同时，实现更好的抗干扰能力。其控制原理图如图3所示。

3仿真验证

在PSCAD仿真软件中，建立了21电平的MMC系统仿真模型，对本文设计的均压算法进行仿真分析，设定的参数如表1所示。

3.1 稳态仿真

如图4所示，本文设计的算法能很好地实现子模块电容电压的均衡控制，波动范围很小，直流侧电压也保持稳定[5]。

3.2 暂态仿真

设t=1s时，系统发了单相故障， 0.1s后，将故障切除，改变载波移相调制策略中的桥臂能量均分控制分量，分别采用单相桥臂分量、三相桥臂分量的控制算法，仿真结果如图5、6所示。

对比图5、图6可知，在故障消除后，后者在故障切除后，而前者则未能恢复。因此，叠加三相桥臂分量的控制策略更优，能尽可能的维持系统的稳定，一定程度上提升抗干扰能力。

4结束语

从仿真结果可以看出，三相桥臂能量均分策略与单相桥臂能量均分策略相比，在发生单相故障时，具有更好的抗干扰能力。

参考文献

[1] 刘钟淇，宋强，刘文华. 基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统[J]. 电力系统自动化，2010，34（2）：53-58.

[2] 邓雪松. 基于模块化多电平的柔性直流输电控制策略研究[D]. 成都：西南交通大学，2014.

[3]  赵昕，赵成勇，李广凯，等. 采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制[J]. 中国电机工程学报，2011，31（21）：48-55.

[4] 王姗姗，周孝信，汤广福，等. 模块化多电平HVDC输电系统子模块电容值的选取和计算[J]. 电网技术，2011（1）：26-32.

[5] 屠卿瑞，徐政，管敏渊，等. 模块化多电平换流器环流抑制控制器设计[J]. 电力系统自动化，2010，34（18）：57-61，83.

作者简介

邓雪松（1988-），男;学历：硕士，职称：工程师，现就职单位：国网四川省电力公司乐山供电公司，研究方向：电力规划与前期管理，柔性直流输电控制。