基于MMC-UPFC的双环解耦控制研究

李又丰，马志鹏

(黑龙江科技大学电气与控制工程学院 ，黑龙江哈尔滨，150022)

0 引言

随着经济的快速发展，电力需求逐渐增加。为了提高其性能，柔性交流输电系统（FACTS）装置在电力系统中得到了广泛的应用。作为FACTS器件， UPFC可以调整并联补偿、串联补偿、相移和电压调节等，提高电网的功率传输能力和稳定性[1]。

UPFC由并和串联电压源变换器组成。并联侧可与交流系统交换无功功率，实现交流电压调节。同时，与电网交换有功，以保持直流电压恒定。串联变换器通过调整注入电压和相位来调节。MMC作为一种多电平结构，为高压大容量提供了新的机遇。其模块化结构，是大容量UPFC的理想拓扑。因此，本文对MMC-UPFC进行了研究。

1 MMC-UPFC的拓扑与工作原理

MMC-UPFC的基本结构如图1[2]。由两个背靠背的MMC组成，分别通过并联和串联变压器与交流系统相连。MMC的拓扑如图2所示。在紧急情况下，采用可控硅旁路开关(TBS)快速切断，对整个装置起到保护。这种结构构成了一个理想的交-交功率变换器，使两个变换器间的有功双向流动，每个变换器都独立地产生或吸收无功。并联侧的功能：一是有功调节。提供串联侧所需的有功，使直流母线电压稳定。二是提供独立的无功补偿。串联侧的功能是控制注入系统的电压的幅值和相位来控制传输线的功率流。

图1 MMC-UPFC系统拓扑

MMC-UPFC可根据设备的电压和容量，灵活配置。通过相应的调制，可以在开关频率不高时，有效地降低输出的谐波。

图2 MMC电路拓扑图

2 MMC-UPFC的数学模型

2.1 MMC数学模型

根据图2，本研究采用MMC平均模型。桥臂电流和阀侧交流电之间的关系为

式中ipj,inj为上下桥臂电流，isj为阀侧电流，izj为j相循环电流。

根据KVL可知j相上下桥臂与直流侧形成两个回路，，这两个电路满足以下等式：

式中Udc为直流母线电压，upj,unj为表示上下桥臂输出电压，usj为阀侧交流电压。

将上式中两式相加，可以得出（3）式

（2）式相减得到MMC交流电压如（4）式

式（1）～式（4）构成了MMC数学模型。

2.2 串、并联侧变换器的数学模型

根据KVL，并联侧变换器在三相静止坐标系的数学模型如式（5）所示。

式中Vlj为公共点三相交流电压，Vshj,ila为交流电压，电流。Rsh为等效电阻。Lsh为等效电感。

将（5）式进行Park变换后得到同步旋转 dq 轴下的并联侧换流器数学模型为

同理，串联侧在d-q轴下的数学模型为

3 MMC-UPFC的控制策略

采用内环电流、外环电压双环解耦控制策略，效果较为理想。并联侧定交流电压、电流控制，在各模式下，可以采取定无功替换定电压控制；串联侧定有功、无功控制。

3.1 并联侧控制策略

并联侧其控制在并网模式下其采取的控制方式是定无功和有功功率控制。主要是通过有功电流分量来维持直流电容的稳定，并给串联侧换流器输送相应的有功功率；另用来提供无功补偿的电流分量，使接入点母线电压稳定。并联侧控制策略如图3所示。

图3 换流器并联侧控制框图

3.2 串联侧控制策略

串联侧是维持直流电压和调节无功。通过控制串入电网电压的相位及幅值，改变线路潮流。其控制主要由给定的线路传输功率指令利用瞬时功率理论算得到线路电流的给定指令，根据线路和换流器电流间先存在变压器的变比关系，可算得输出电流的参考值，串联侧的控制策略如图4所示。

图4 换流器串联侧控制框图

4 MMC-UPFC的仿真

利用Matlab/ Simulink对MMC-UPFC建模。仿真输出结果，如图5所示。可以看出输出侧电流和电压同相位，且幅值一样。

5 结束语

本文通过基本控制策略对MMC-UPFC进行了仿真验证。其基本控制策略是双环解耦控制策略，内环电流控制、外环电压控制，由并联侧维持电压稳定，串联侧抑制潮流的双频波动。通过仿真验证了MMC-UPFC的有效性。

图5 仿真模型