吉 宇 鄭建勇 梅 軍 杜曉舟 馬 天

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院, 南京 210096)

MMC-HVDC的環(huán)流抑制和并網(wǎng)控制策略

吉 宇 鄭建勇 梅 軍 杜曉舟 馬 天

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院, 南京 210096)

為了使得柔性直流輸電MMC-HVDC更加穩(wěn)定地接入電網(wǎng),并且有效地抑制其橋臂環(huán)流,提出了一種改進(jìn)型的控制策略．首先,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上、下橋臂電流以及子模塊電容電壓;通過(guò)計(jì)算得到環(huán)流抑制分量以及子模塊電容電壓平衡分量,將兩者疊加到MMC的調(diào)制波中,從而有效地抑制橋臂二次環(huán)流分量,同時(shí)也降低了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗．然后，利用并網(wǎng)控制策略,獨(dú)立地控制系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)的電力潮流,保證直流母線電壓在負(fù)荷改變時(shí)保持恒定,實(shí)現(xiàn)了子模塊電容電壓的動(dòng)態(tài)平衡.最后，搭建MMC-HVDC系統(tǒng)的仿真模型,仿真結(jié)果表明,橋臂環(huán)流被有效地抑制,直流母線電壓保持恒定．同時(shí),搭建了五電平實(shí)驗(yàn)樣機(jī),實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有效地證明了控制策略的正確性．

柔性直流輸電系統(tǒng);模塊化多電平變換器;電壓平衡控制;二次諧波環(huán)流抑制

近年來(lái),隨著交流輸電輸送容量的增大、線路距離的增長(zhǎng)以及交流電網(wǎng)的日益復(fù)雜化,電力系統(tǒng)中短路電流的限制、調(diào)壓等問(wèn)題逐漸突出．為了提高交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性與輸送容量,常需要花費(fèi)很大的投資．而直流輸電技術(shù)具有交流輸電無(wú)法取代的優(yōu)點(diǎn)．

MMC-HVDC是一種新型的柔性直流輸電技術(shù),屬于VSC-HVDC范疇．與級(jí)聯(lián)H橋變換器相比,MMC保留了高度模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí)又具有高壓直流母線,能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓、輸出電流的四象限運(yùn)行．與傳統(tǒng)的二、三電平變換器相比,MMC不存在開(kāi)關(guān)管串聯(lián)并聯(lián)的均壓、均流問(wèn)題．MMC的每個(gè)子模塊結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,控制容易,可以無(wú)限擴(kuò)展,特別適用于HVDC領(lǐng)域[1-4]．

MMC-HVDC調(diào)制策略是決定其性能的關(guān)鍵,將直接影響MMC各個(gè)子模塊電容的充放電以及母線電壓波動(dòng)．目前針對(duì)MMC的調(diào)制策略主要包括載波移相、載波層疊、最近電平逼近、空間矢量等．其中適用于MMC-HVDC系統(tǒng)的調(diào)制策略主要有最近電平逼近調(diào)制(NLM)和載波移相調(diào)制(CPS-SPWM)．這2種調(diào)制策略各有優(yōu)勢(shì),前者需要通過(guò)對(duì)子模塊電容電壓進(jìn)行排序,選擇性地投入子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡,適用于電平數(shù)多、電壓等級(jí)高的場(chǎng)合．后者控制則相對(duì)簡(jiǎn)單,每個(gè)子模塊投入/切除概率幾乎相等,易于實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡．另外,在相同電平數(shù)時(shí)采用載波移相調(diào)制得到的網(wǎng)側(cè)輸出電壓THD較低,其在中、低壓場(chǎng)合中應(yīng)用較多[3-7]．

MMC的橋臂環(huán)流會(huì)疊加到各相的上、下橋臂中,一方面提高了功率開(kāi)關(guān)器件額定電流容量,增大了系統(tǒng)成本;另一方面增加了損耗,并使功率開(kāi)關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重,甚至燒毀,影響裝置的使用壽命．因此,抑制MMC橋臂環(huán)流也是業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)．

文獻(xiàn)[8-9]針對(duì)MMC提出了最近電平逼近調(diào)制方法,其核心思想是通過(guò)對(duì)電容電壓的大小進(jìn)行排序,根據(jù)電流方向決定子模塊投入順序,方法簡(jiǎn)單實(shí)用,但存在需要對(duì)電容電壓進(jìn)行頻繁排序等問(wèn)題．文獻(xiàn)[10]嘗試將空間矢量PWM運(yùn)用在MMC的調(diào)制中,但隨著電平數(shù)的增加,空間矢量選擇變得極其復(fù)雜,很難適用于5電平以上．文獻(xiàn)[11]描述了一種適用于MMC的環(huán)流抑制控制器,增加了負(fù)坐標(biāo)變換和解耦環(huán)節(jié),運(yùn)算量較大．

MMC-HVDC運(yùn)行中需要保證直流母線電壓的恒定和兩側(cè)變換器中子模塊電容電壓的平衡．當(dāng)逆變側(cè)負(fù)荷波動(dòng)時(shí),整流側(cè)提供的有功功率需要相應(yīng)地增大/減?。疚尼槍?duì)MMC-HVDC進(jìn)行深入研究,提出了MMC-HVDC系統(tǒng)子模塊電容電壓平衡、橋臂環(huán)流抑制和并網(wǎng)控制策略．

1 MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

MMC變換器是MMC-HVDC的核心部件,起到整流/逆變作用,使得能量在直流母線中傳輸,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和子模塊拓?fù)湟?jiàn)圖1．

圖1為n+1電平三相MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及子模塊結(jié)構(gòu),它由6個(gè)橋臂構(gòu)成．其中,每一個(gè)橋臂都由n個(gè)子模塊和電抗器L串聯(lián)構(gòu)成,電抗器L起到限流作用,上、下2個(gè)橋臂構(gòu)成了MMC的一相．MMC子模塊是一個(gè)半橋結(jié)構(gòu),包括2個(gè)IGBT和1個(gè)直流儲(chǔ)能電容．根據(jù)電流iSM(t)的方向以及開(kāi)關(guān)S1和S2的狀態(tài),子模塊可以工作在充電、放電、旁路3種狀態(tài)[5-6]．

圖1 MMC以及子模塊拓?fù)?/p>

2 MMC-HVDC的控制技術(shù)

2.1 載波移相調(diào)制和子模塊電容電壓均衡策略

系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓是由各個(gè)子模塊直流側(cè)電容來(lái)支撐的．一般而言,為保證直流母線的穩(wěn)定,MMC系統(tǒng)采用n+1電平調(diào)制,即在每一時(shí)刻每相中有n個(gè)子模塊投入,而另外n個(gè)子模塊處在切除狀態(tài),每個(gè)子模塊的電容電壓維持在直流母線電壓的1/n,即Udc/n．

基于MMC-HVDC的載波移相調(diào)制原理如圖2所示．

圖2 載波移相調(diào)制

當(dāng)MMC-HVDC出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行故障,即某一個(gè)子模塊電壓偏離Udc/n很多時(shí),則需要對(duì)其進(jìn)行更正,使電容電壓較小的子模塊少放電、多充電,而電容電壓較大的子模塊多放電、少充電．采用的控制策略是在j相的子模塊m原來(lái)的調(diào)制波上疊加分量Δuj，m(t),具體控制策略見(jiàn)圖3．

圖3 子模塊電容電壓均壓控制策略

如圖3所示,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋臂電流,若iqb(t)≥0,則該橋臂處在充電狀態(tài),令im=1．若此時(shí)該橋臂上的子模塊m電容電壓uSMm(t)0,應(yīng)使得原來(lái)的調(diào)制波變大,這樣可以增加該子模塊導(dǎo)通的機(jī)會(huì),即多充電．同理,若此時(shí)該橋臂上的子模塊m電容電壓uSMm(t)≥Udc/n,則Δuj,m(t)≤0,應(yīng)使得原來(lái)的調(diào)制波變小,這樣可以減少該子模塊導(dǎo)通的機(jī)會(huì),即少充電．當(dāng)橋臂處在放電狀態(tài)iqb(t)<0時(shí),令im=-1,也可以通過(guò)電容電壓大的子模塊多放電,電容電壓小的子模塊少放電．幾個(gè)周期后,原來(lái)失衡的子模塊電容電壓趨于平衡,系統(tǒng)回歸對(duì)稱(chēng)運(yùn)行．

2.2 橋臂環(huán)流抑制策略

MMC-HVDC系統(tǒng)的瞬時(shí)能量存儲(chǔ)于懸浮的獨(dú)立直流電容中,任意時(shí)刻各相橋臂均有一半的功率單元串聯(lián)接入公共直流母線,實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)直流電容的充放電,從而實(shí)現(xiàn)交流側(cè)(或輸入側(cè))與公共直流側(cè)(或輸出側(cè))之間的能量交換和傳遞,其載體則為環(huán)流．MMC-HVDC系統(tǒng)兩端變換器橋臂環(huán)流中的主要分量是二倍頻的環(huán)流分量,它將增加橋臂電流的有效值,從而增大了損耗,同時(shí)也帶來(lái)了不平衡和擾動(dòng)．

以a相為例,橋臂二次環(huán)流iza(t)同時(shí)經(jīng)過(guò)該相的上、下橋臂,在上、下2個(gè)橋臂電感L上都產(chǎn)生了壓降uzaL(t),忽略iza(t)的高頻分量,則有

(1)

式中,iap(t),ian(t)分別為上、下橋臂電流；uapL(t),uanL(t)分別為a相上、下橋臂電感電壓;Idc/3為橋臂環(huán)流中的直流分量．

抑制二次環(huán)流的基本思路是對(duì)環(huán)流二次分量產(chǎn)生的壓降進(jìn)行補(bǔ)償,具體策略見(jiàn)圖4．

圖4 橋臂二次環(huán)流抑制策略

如圖4所示,首先求出上、下橋臂電感電壓的平均值,然后進(jìn)行低通濾波,把超過(guò)100 Hz(二倍頻)的高頻分量濾掉,得到需要疊加在調(diào)制波中的環(huán)流修正量Δuah(t)．

這種抑制策略控制比較簡(jiǎn)單,魯棒性強(qiáng),在工程實(shí)際中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)．

2.3 MMC-HVDC并網(wǎng)控制策略

MMC-HVDC并網(wǎng)控制策略主要分為整流側(cè)控制策略和逆變側(cè)控制策略．其中,整流側(cè)采用直流母線電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制,逆變側(cè)則采用功率外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制．內(nèi)環(huán)電流控制是通過(guò)調(diào)節(jié)MMC變換器的輸出電壓,使得d軸和q軸分量id,iq快速跟蹤其指令指值Id-ref,Iq-ref,其具體的并網(wǎng)控制策略見(jiàn)圖5．

(a) 整流側(cè)

(b) 逆變側(cè)

如圖5所示,逆變側(cè)MMC控制變換器使得輸出的有功功率、無(wú)功功率和指令值相同,而整流側(cè)MMC變換器則要保證直流母線電壓的恒定,這是MMC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)定的基本前提．MMC的整流側(cè)、逆變側(cè)的調(diào)制波都疊加了2個(gè)分量,有效地抑制了橋臂環(huán)流,實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡．

3 仿真波形與分析

在Matlab/Simulink中搭建MMC-HVDC仿真模型,兩端交流電網(wǎng)采用理想電壓源和感性阻抗來(lái)模擬,仿真參數(shù)見(jiàn)表1,具體仿真結(jié)果見(jiàn)圖6．

圖6(a)為MMC內(nèi)逆變側(cè)輸出相電壓仿真波形,由于逆變側(cè)在0～0.1s時(shí)發(fā)出感性無(wú)功功率，而在0.1～0.5s時(shí)吸收感性無(wú)功功率，故其逆變側(cè)輸出電壓基波模值在0.1s前后由小變大.

表1 仿真參數(shù)

圖6(b)為整流側(cè)MMC的有功功率仿真波形,逆變側(cè)交流電網(wǎng)吸收的有功功率在0.1 s時(shí)從1 080 MW階躍增長(zhǎng)到1 620 MW．為了維持直流母線電壓的恒定,整流側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)出的有功功率在0.2 s內(nèi)增加到1 620 MW左右,其網(wǎng)側(cè)輸出電流必然也相應(yīng)增加．圖6(c)為MMC-HVDC直流母線電壓,可見(jiàn)在整個(gè)過(guò)程中,直流母線電壓穩(wěn)定在400 kV．圖6(d)為整流側(cè)MMC子模塊電容電壓,可見(jiàn)子模塊電容電壓在20 kV左右波動(dòng),十分穩(wěn)定．圖6(e)為三相環(huán)流抑制波形,逆變側(cè)MMC

(b) 整流側(cè)MMC的有功功率波形

(c) 直流母線波形

(d) 整流側(cè)MMC子模塊電容電壓波形

(e) 逆變側(cè)MMC的環(huán)流抑制前后輸出電流波形

在0.2 s時(shí)加入環(huán)流抑制器,三相的橋臂環(huán)流在0.2 s內(nèi)都有效地抑制了其二次分量,留下了直流分量1.355 A,故直流母線對(duì)逆變側(cè)MMC提供的有功功率P=Udc(Iadc+Ibdc+Icdc)=1 626 MW.可見(jiàn)，直流母線對(duì)逆變側(cè)MMC提供的有功功率和逆變側(cè)交流電網(wǎng)有功功率幾乎相等．另外加上環(huán)流抑制器后,環(huán)流的波動(dòng)明顯降低,減少了不必要的線路損耗,具有工程實(shí)踐意義．

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)以dspace1103為控制核心的三相五電平MMC并網(wǎng)系統(tǒng),樣機(jī)通過(guò)升壓變壓器并網(wǎng),其參數(shù)見(jiàn)表2,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示．

(a) 輸出電壓、上下橋臂電流、輸出電流

(b) 上、下橋臂電流和橋臂環(huán)流

(c) 輸出電壓和橋臂環(huán)流

(d) 環(huán)流抑制前橋臂環(huán)流頻譜分析

(e) 環(huán)流抑制后橋臂環(huán)流頻譜分析

表2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

圖7(a)為穩(wěn)態(tài)時(shí)MMC輸出電壓、上橋臂電流、下橋臂電流和輸出電流,可見(jiàn)輸出電壓為五電平,輸出電流很好地跟蹤了輸出電壓,兩者保持同相位．圖7(b)為穩(wěn)態(tài)時(shí)上、下橋臂電流和環(huán)流波形,可見(jiàn)MMC環(huán)流主要集中在二倍頻(100 Hz)．圖7(c)為加上環(huán)流抑制控制器前后環(huán)流的變化波形,可見(jiàn)該控制器有效地抑制了環(huán)流的二次分量．圖7(d)、(e)為環(huán)流抑制前、后橋臂環(huán)流頻譜分析,可見(jiàn)加入環(huán)流抑制器后抑制了二次環(huán)流,保留了直流分量,但也帶來(lái)了一些高次諧波分量．

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)MMC-HVDC兩端變換器的并網(wǎng)控制策略、橋臂二次環(huán)流抑制策略、子模塊電容電壓平衡策略進(jìn)行了深入地研究．搭建Matlab/Simulink仿真平臺(tái)和單相五電平實(shí)驗(yàn)樣機(jī),仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該策略具有很好的控制性能,具有工程實(shí)踐價(jià)值．

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Circulation current suppressing and grid-connected strategy of MMC-HVDC

Ji Yu Zheng Jianyong Mei Jun Du Xiaozhou Ma Tian

(School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to deal with the problem of circulation current suppression and grid-connected control for modular multilevel converter-high voltage direct current (MMC-HVDC), an improved control strategy is proposed. First, the arm currents and the sub-module voltages are monitored by real-time. The component of circulation current suppression and the component of sub-module voltage balance are calculated. The circulating current is effectively suppressed by overlaying the two components on the modulation waves. Thus, switching loss of the system is reduced. Secondly, the grid-connected strategy of the MMC-HVDC is adopted, and hence the rectifier and inverter of the system are controlled independently. Therefore, the voltage of the direct current bus is stable when the load is changing. The dynamic balance of the capacitors in the sub-modules is realized. Finally, the simulation model of the MMC-HVDC system is built. The simulation results show that circulating current is suppressed and the bus voltage is stable. Finally, the experimental prototype of 5-level MMC is built, and the correctness of the proposed control strategy is also verified by the test results.

modular multilevel converter-high voltage direct current(MMC-HVDC);modular multilevel converter;voltage balancing control;second harmonic circulation current suppressing

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.017

2014-09-27. 作者簡(jiǎn)介: 吉宇(1987—)，男，博士生；鄭建勇(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師， jy_zheng@seu.edu.cn.

教育部博導(dǎo)類(lèi)博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20130092110041).

吉宇,鄭建勇,梅軍,等.MMC-HVDC的環(huán)流抑制和并網(wǎng)控制策略[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(2):289-294.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.017

TM46

A

1001-0505(2015)02-0289-06