基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的柔性直流控制策略

胡兆慶 ，董云龍 ，田 杰 ，李海英 ，曹冬明

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

在電壓源（VSC）型高壓直流換流站中，換流器扮演著交直流轉(zhuǎn)換的重要角色，可關(guān)斷器件則是構(gòu)成這類換流站的基礎(chǔ)。兩電平或者三電平結(jié)構(gòu)受單個開關(guān)器件耐壓限制，需要使用大量開關(guān)器件串聯(lián)，對器件開通關(guān)斷一致性、串聯(lián)器件均壓特性要求高[1，2]，模塊化多電平換流器（MMC）使用子模塊串聯(lián)方式其電容電壓進行平衡控制[3，4]，調(diào)制方式選擇的研究表明[5]，采用合適的換流器控制方式可以降低器件開關(guān)頻率，減少換流器損耗。這種結(jié)構(gòu)在西門子TransBay工程中得到應(yīng)用[6]。文獻[7]中對單換流器結(jié)構(gòu)的換流器級和系統(tǒng)級控制進行研究，采用離線軟件仿真方式驗證控制方式可行性；基于dq坐標分解的有功和無功解耦控制方法被引入電壓源型HVDC控制[8，9]，這種控制方式對于換流器連接有源網(wǎng)絡(luò)或者無源網(wǎng)絡(luò)，通過軟件仿真的方式證明是一種合適的方法。目前對于模塊化多電平結(jié)構(gòu)換流器控制研究多集中在換流器級離線仿真方面，由于條件限制，難于進行實時仿真。文中在推導(dǎo)模塊化多電平結(jié)構(gòu)換流器數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，提出了模塊化多電平柔性直流輸電的系統(tǒng)級控制策略，用物理模型通過按等比例縮小的方式模擬了上海南匯柔性直流輸電示范工程參數(shù)，采用實際的上位機控制設(shè)備和閥控電子設(shè)備，對控制策略進行實時仿真研究。

1 換流器拓撲

兩電平或者三電平換流器結(jié)構(gòu)的共同特點是在直流母線上并聯(lián)電容器，一旦出現(xiàn)半導(dǎo)體器件故障時，可能會引起最嚴重的直通故障。另外實際需要使用的二極管、電容數(shù)量隨著電平數(shù)量增加而增加，同時需要濾除高次諧波濾波器。

H橋串聯(lián)是一種構(gòu)成大功率逆變器的結(jié)構(gòu)方式，但由于這種串聯(lián)方式需要獨立的直流電源作為逆變電源，在進行直流功率傳輸應(yīng)用時使用受限制。

MMC是一種新型的電壓源型的換流器結(jié)構(gòu)（如圖1所示），通過半橋子模塊串連達到提高承受電壓等級和功率水平的目的，交流側(cè)不需要濾波器，直流側(cè)沒有高壓電容器組，可以在半導(dǎo)體器件發(fā)生故障時避免橋臂直通故障。橋臂電抗器L的使用有以下優(yōu)點：

（1）限制故障時電流，發(fā)生短路故障，可以限制電流上升速度，讓半導(dǎo)體器件有足夠的時間可靠關(guān)斷；

（2）限制開通瞬間di/dt，避免造成半導(dǎo)體器件開通瞬間過大的電流變化率損害器件；

（3）在各橋臂電容電壓不均衡情況下產(chǎn)生環(huán)流，電抗器起到抑制環(huán)流作用，同時能夠通過給環(huán)流的控制提供幫助。

圖1 模塊化多電平換流器單站結(jié)構(gòu)

2 控制模型和策略

在推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出適用于MMC結(jié)構(gòu)的柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略。

2.1 數(shù)學(xué)模型

定義單相電壓電流的方向如圖2所示，正常運行時，上下橋臂電流為各分閥側(cè)電流的一半，除此之外，橋臂電流中還包括直流成分。上橋臂和下橋臂的所有子模塊電容可以等效為可控電壓源uC1，uC2，其中：

式中：Spi，Sni分別為上、下橋臂每個SM模塊對應(yīng)的開關(guān)函數(shù)；UC為電容電壓 （假定所有子模塊電容電壓都相等，為UC）；n為上或者下橋臂子模塊總個數(shù)。

圖2 模型定義電壓電流的參考方向

子模塊中上下管T1，T2狀態(tài)是互補的，對于1個SM子模塊而言，輸出電壓在UC和0兩者之間切換，對應(yīng)開關(guān)函數(shù)如表1和表2所示。

表1 上橋臂其中1個SM的開關(guān)函數(shù)

表2 下橋臂其中1個SM的開關(guān)函數(shù)

正常運行時，對于1個子模塊而言，不會出現(xiàn)上下2個開關(guān)管同時導(dǎo)通或關(guān)斷的情況，從表1和表2可以看出，正常運行時，不論橋臂電流的方向如何，上管開通是將子模塊投入，下管導(dǎo)通是將子模塊退出。

在不考慮冗余子模塊情況下，圖2結(jié)合表1和表2可以推導(dǎo)出：

由于橋臂電流ip，in兩者的差僅僅剩下直流成分，可以認為式（3）右邊第二項為0，當采用固定投入上下橋臂子模塊總數(shù)方式，可以認為：

式（2）右側(cè)第一項為上下橋臂投入子模塊的電壓的差值，實際為控制輸出參考電壓，定義：

得到：

這與兩電平結(jié)構(gòu)下的控制模型是類似的[10，11]。以上式（6）在旋轉(zhuǎn)dq坐標系下表達式為：

式中：L1=0.5L；iacd，iacq分別為閥側(cè)電流 iac在 dq軸的分量；uacd，uacq分別為交流電壓uac在dq軸的分量；urefd，urefq分別為控制輸出參考電壓在dq軸的分量。

模塊化多電平結(jié)構(gòu)中實際被控制量為上、下橋臂的可控電壓源，上位機控制系統(tǒng)發(fā)給閥基控制部分的參考電壓實際為：

2.2 相位檢測

相位檢測關(guān)系到系統(tǒng)控制保護檢測電壓相位的準確性，采用的檢測手段如圖3所示。

DSP將采集到的三相交流同步電壓測量實時值經(jīng)過αβ變換后，變換為uα，uβ，通過計算得到q軸分量uq，將uq經(jīng)過PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)得到角頻率誤差Δω，Δω與額定角頻率相加后得到實際角頻率，最后再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到相位。

圖3 鎖相環(huán)

2.3 控制策略

在柔性直流系統(tǒng)中，交流側(cè)控制策略應(yīng)能滿足交流電壓控制以及無功功率控制方面的要求，直流側(cè)則能夠保持換流站直流電壓的穩(wěn)定需要[12]。實際換流站控制策略如圖4所示。

圖4 柔性直流控制策略

整流側(cè)以有功功率、交流電壓以及無功功率為控制目標，逆變側(cè)以直流電壓、交流電壓以及無功功率為控制目標。圖中內(nèi)環(huán)電流控制是根據(jù)外環(huán)控制器產(chǎn)生的有功功率和無功功率參考值以及三相電流實時值，通過矢量控制得到的電流參考值，該電流參考值通過參考波生成環(huán)節(jié)得到電壓參考值urefd，以及urefq。

參考電壓urefd以及urefq經(jīng)過變換得到三相基波參考電壓，利用三角載波對其進行調(diào)制，即可產(chǎn)生脈沖調(diào)制波形[13]。

3 動模仿真驗證

建立圖4所示的兩端動模系統(tǒng)，動模系統(tǒng)模型以上海柔性直流輸電示范工程為依據(jù)，具體參數(shù)如表3所示。動模閥部分采用49電平MMC，其他一次設(shè)備包括變壓器、橋臂電抗器物理模型，開關(guān)、刀閘用真空接觸器來模擬。

利用實際的控制保護裝置，與動模系統(tǒng)連接檢測控制系統(tǒng)的功能，采用圖4所示控制策略，圖5為系統(tǒng)滿功率運行時站1的波形圖，可以看出，控制器輸出穩(wěn)定，交流側(cè)電流平衡性良好，直流電壓穩(wěn)定，交流側(cè)送出有功功率穩(wěn)定在18 MW。

表3 動模系統(tǒng)模擬的上海柔性直流輸電系統(tǒng)參數(shù)

在站1交流側(cè)正送有功功率2 MW情況下，模擬直流正極母線發(fā)生金屬接地故障100 ms的波形如圖6所示。可以看出，大約在0.51 s發(fā)生永久閉鎖跳閘，故障期間，正極母線電壓接近0，直流電壓調(diào)節(jié)器將總直流電壓控制在60kV左右，直流電壓不平衡保護經(jīng)過一段時間閉鎖跳閘。

4 結(jié)束語

在推導(dǎo)MMC模型基礎(chǔ)上提出適用于模塊化多電平柔性直流換流站的控制策略，根據(jù)上海柔性直流輸電示范工程進行了動模實驗，在動模平臺考察了控制系統(tǒng)滿功率運行控制能力，以及控制器在發(fā)生系統(tǒng)故障時控制性能，結(jié)果表明，控制器在穩(wěn)態(tài)以及暫態(tài)過程中具有良好的調(diào)節(jié)性能，證明了文中提出的柔性直流控制策略適用于實際工程。

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