新型MMC-HVDC控制策略的研究*

陳 莉， 陳 乾， 陳 劍， 代高富

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 210031

新型MMC-HVDC控制策略的研究*

陳 莉， 陳 乾， 陳 劍， 代高富

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 210031

MMC-HVDC系統(tǒng)的核心功能是對有功功率和無功功率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)換流站直接功率的輸送。從MMC-HVDC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了dq坐標(biāo)系下的有功和無功解耦控制器，實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制，并在PSCAD環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

模塊化多電平換流器； 高壓直流輸電； 解耦控制

1 MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為雙端MMC-HVDC(模塊化多電平換流器-高壓直流輸電)系統(tǒng)單線圖，圖2所示為系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D。兩個交流系統(tǒng)的電能輸送依靠兩個背靠背的MMC換流站和中間的直流線路完成，每個MMC換流站的各相橋臂由若干個子模塊級聯(lián)構(gòu)成，子模塊的數(shù)量越多，能夠承受的輸電電

壓等級就越高。這種新型拓?fù)湓诟邏褐绷鬏旊婎I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。

圖1 雙端MMC-HVDC系統(tǒng)單線圖

圖2 MMC-HVDC系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D

2 MMC-HVDC數(shù)學(xué)模型

由于MMC-HVDC系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)結(jié)構(gòu)相同，以整流側(cè)為例推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型。圖3是忽略橋臂損耗情況下整流側(cè)MMC等效電路圖。

根據(jù)圖3列出基爾霍夫方程，得到三相靜止坐標(biāo)系下的MMC數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：L=Ls+Lm/2。

圖3 MMC-HVDC整流側(cè)等效電路圖

在三相靜止坐標(biāo)系下，各個電氣量均為交流量，不利于得到有功分量和無功分量。為此，需要將上述模型轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下，得到相應(yīng)的直流量，這樣利于解耦控制器的設(shè)計。三相abc坐標(biāo)系到兩相dq坐標(biāo)系的變換矩陣為：

(2)

對式(1)進(jìn)行式(2)所示的坐標(biāo)變換，可以得到dq坐標(biāo)系下的MMC數(shù)學(xué)模型：

(3)

根據(jù)瞬時功率理論，abc靜止坐標(biāo)系下?lián)Q流站與交流系統(tǒng)的有功功率和無功功率為：

(4)

轉(zhuǎn)換到dq同步坐標(biāo)系下，有功功率和無功功率可表示為:

(5)

選擇d軸與電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)向量重合，即usq=0，可以簡化計算，將式(5)改寫為：

(6)

3 dq坐標(biāo)系下解耦控制器的設(shè)計

dq坐標(biāo)系下的解耦控制器是電壓源換流器領(lǐng)域的一種經(jīng)典控制方法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種控制器由外環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器構(gòu)成，外環(huán)控制器用于實(shí)現(xiàn)有功和無功分量的控制，輸出量是內(nèi)環(huán)電流控制器需要的參考電流值。內(nèi)環(huán)電流控制器則是跟蹤電流參考值，輸出換流器需要的輸出電壓參考值，即調(diào)制波，最后通過均壓調(diào)制得到PWM(脈沖寬度調(diào)制)觸發(fā)脈沖。

圖4 一端換流站直接電流控制原理圖

3.1 外環(huán)控制器的設(shè)計

MMC-HVDC系統(tǒng)中外環(huán)控制器的作用是根據(jù)有功功率、無功功率及直流電壓參考值計算出內(nèi)環(huán)電流控制器需要的電流參考值idref、iqref。外環(huán)控制器主要分為定有功控制、定無功控制和定直流電壓控制[6-7]。

定有功控制的原理是將給定的有功功率參考值Pref與實(shí)際測得的有功功率P比較，經(jīng)過PI(比例積分)控制器形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對交流系統(tǒng)和換流站之間的有功輸送，控制器的輸出是內(nèi)環(huán)控制器d軸參考電流idref。定無功控制的原理與定有功控制相似，將系統(tǒng)無功功率的測量值Q與給定的無功功率參考值Qref比較，經(jīng)過PI控制器實(shí)現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)，控制器的輸出是內(nèi)環(huán)控制器q軸參考電流iqref。為了穩(wěn)定直流母線電壓，需要定直流電壓控制器[8]，其原理是將給定的直流母線電壓參考值udcref和實(shí)際測量得到的直流電壓值比較，通過PI控制器來調(diào)節(jié)直流母線電壓，從而實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定[9-10]，控制器的輸出是內(nèi)環(huán)控制器d軸參考電流idref。三種控制器的控制框圖如圖5所示。

圖5 外環(huán)控制器控制框圖

3.2 內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計

由式3所示dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以看出，由于耦合電感的存在，d、q軸電壓含有電流交叉耦合量ωLiq、ωLid，這不利于對有功功率和無功功率進(jìn)行獨(dú)立控制。為了消除d、q軸之間的耦合，可以將式(3)改寫為：

(7)

式中：Rid+Ldid/dt、Riq+Ldiq/dt分別與id、iq構(gòu)成一階微分關(guān)系，可通過PI控制器來實(shí)現(xiàn)。引入電壓耦合補(bǔ)償項ωLid、ωLiq及電壓前饋分量usd、usq，可以得到換流器在d、q軸的參考電壓信號：

(8)

根據(jù)式(8)，得到如圖6所示的MMC內(nèi)環(huán)電流控制結(jié)構(gòu)圖。

圖6 MMC內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

4 仿真分析

為驗(yàn)證上述dq坐標(biāo)系下解耦控制策略的正確性，在PSCAD/EMTDC中搭建了雙端MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型，其主電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。換流站MMC1端為整流側(cè)，采用定有功和定無功控制方式，換流站MMC2端為逆變側(cè)，采用定直流電壓和定無功控制方式。

圖7 連接有源網(wǎng)絡(luò)的MMC-HVDC仿真模型

主電路結(jié)構(gòu)模型的仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

項目設(shè)定值橋臂子模塊數(shù)20橋臂電感/mH10子模塊電容/μF4000網(wǎng)側(cè)線電壓有效值/kV35直流側(cè)電壓/kV60開關(guān)頻率/Hz2000交流電壓頻率/Hz50系統(tǒng)容量/MVA60直流電纜長度/km10

4.1 功率階躍響應(yīng)

為驗(yàn)證MMC-HVDC系統(tǒng)的功率階躍響應(yīng)特性，仿真設(shè)置t=0.5s時，MMC1端向MMC2端輸送有功功率參考值從0.8pu階躍到0.4pu；在t=0.8s 時，MMC1端向MMC2端輸送無功率參考值從0階躍到0.3pu。所得到的仿真波形如圖8所示。

由圖8可以看出，控制系統(tǒng)對有功功率和無功功率的跟蹤效果較好，在t=0.5s時，MMC1換流站向MMC2換流站輸送的有功功率從0.8pu階躍到0.4pu，有功功率經(jīng)過0.1s的短暫調(diào)整跟蹤到新的指令值，并且MMC2換流站的有功功率也從-0.8pu 階躍到-0.4pu。在t=0.8s時，MMC1換流站向MMC2換流站輸送的無功功率從0階躍到0.3pu，無功功率得到了很好的跟蹤控制。并且，在有功功率階躍時，無功功率有少許波動；在無功功率階躍時，有功功率也出現(xiàn)了一些波動；兩種情況下的波動都沒有超過10%。總體而言，dq坐標(biāo)系下的解耦控制可以實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立控制。

圖8 功率階躍響應(yīng)仿真結(jié)果

由圖8還可以看出，在功率階躍變化時，子模塊電容電壓出現(xiàn)波動，這是由于功率變化時，電容電壓會進(jìn)行充放電，引起了電容電壓的波動。MMC2側(cè)采用定直流電壓控制方式，直流母線電壓維持在60kV，在功率階躍時有一些波動，但波動范圍沒有超出±1kV，并且很快恢復(fù)穩(wěn)定。此外，當(dāng)功率階躍變化時，網(wǎng)側(cè)電流會發(fā)生相應(yīng)的改變，而電流電壓基本不變，這是因?yàn)楣β实妮斔褪峭ㄟ^電流的改變完成的，電壓則保持恒定。

4.2 潮流翻轉(zhuǎn)響應(yīng)

MMC-HVDC系統(tǒng)能量可以雙向流動，為驗(yàn)證潮流翻轉(zhuǎn)響應(yīng)特性，仿真設(shè)置在t=0.5s 之前，MMC1換流站向MMC2換流站輸送有功功率0.4pu、無功功率0.2pu；在t=0.5s時，有功功率開始反送，MMC2換流站向MMC1換流站輸送有功功率0.4pu；在t=0.8s時，無功功率開始翻轉(zhuǎn)，MMC2換流站向MMC1換流站輸送無功功率0.3pu。圖9給出了潮流翻轉(zhuǎn)的仿真結(jié)果。

由圖9可以看出，有功功率和無功功率在翻轉(zhuǎn)時，MMC1換流站經(jīng)過短暫的調(diào)整時間跟蹤到了指令值，并很快恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)超調(diào)量較小，響應(yīng)速度較快，實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制。MMC2換流站在無功功率發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，有功功率波動比較大，經(jīng)過0.3s的輕微震蕩恢復(fù)穩(wěn)定，這是由于MMC2側(cè)采用定直流電壓控制、潮流翻轉(zhuǎn)電容充放電造成的，最終系統(tǒng)還是實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制。

由圖9還可以看出，在潮流翻轉(zhuǎn)時，MMC1換流站A相上橋臂子模塊電容電壓也會進(jìn)行充放電，電壓從而發(fā)生波動，但經(jīng)過短暫的調(diào)整時間恢復(fù)了穩(wěn)定，波動范圍在10%以內(nèi)。此外，潮流翻轉(zhuǎn)時，電壓極性沒有發(fā)生改變，且直流電壓的波動也很小，波動范圍沒有超出±2kV。

4.3 直流電壓階躍響應(yīng)

MMC1換流站向MMC2換流站輸送的有功功率為0.8pu，無功功率為0，為了驗(yàn)證直流電壓發(fā)生階躍變化時MMC-HVDC系統(tǒng)的響應(yīng)特性，在t=0.5s時，直流電壓從60kV階躍到65kV，圖10給出了系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

圖9 潮流翻轉(zhuǎn)響應(yīng)仿真結(jié)果

圖10 直流電壓階躍響應(yīng)仿真結(jié)果

由圖10可以看出，直流母線電壓從60kV提高到65kV時，MMC1換流站的有功功率、無功功率、d軸電流和q軸電流基本不受影響，僅出現(xiàn)了微小的波動，MMC2換流站的無功功率、q軸電流在直流電壓變化時也基本不受影響。由于MMC2換流站采用定直流電壓和定無功控制方式，有功功率和d軸電流出現(xiàn)了小幅波動，但迅速回到了目標(biāo)值。在t=0.5s 直流電壓提高時，MMC1換流站A相上橋臂子模塊電容也開始充電，即相應(yīng)增大，但并沒有影響子模塊電容電壓的均衡。所以，直流電壓的階躍變化不會影響兩個換流站有功功率和無功功率的輸送。

5 結(jié)論

筆者根據(jù)MMC-HVDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了三相靜止坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計了基于dq坐標(biāo)系的解耦控制策略，最后在PSCAD/EMTDC平臺搭建了仿真模型，分析了功率階躍、潮流翻轉(zhuǎn)及直流電壓階躍三種工況下的響應(yīng)特性。

(1)dq坐標(biāo)系下的解耦控制器可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，具有良好的解耦特性。

(2) 在功率變化時，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，可以很快跟蹤到指令值，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。

(3) 兩個換流站之間的能量可以雙向流動，直流電壓的極性不發(fā)生改變。

(4) 直流電壓的變化并不影響有功功率和無功功率的輸送。

[1] 韋延方,衛(wèi)志農(nóng),孫國強(qiáng),等.一種新型的高壓直流輸電技術(shù)——MMC-HVDC[J].電力自動化設(shè)備,2012,32(7)： 1-9.

[2] 孔明,湯廣福,賀之淵,等.不對稱交流電網(wǎng)下MMC-HVDC輸電系統(tǒng)的控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(28)： 41-49.

[3] 張建坡.趙成勇,孫海峰.基于改進(jìn)拓?fù)涞腗MC-HVDC控制策略仿真[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2015,35(5)： 1032-1040.

[4] 管敏淵,徐政.MMC型VSC-HVDC系統(tǒng)電容電壓的優(yōu)化平衡控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2011,31(12)： 9-14.

[5] 張碧涵,趙海森.基于PSCAD仿真的柔性直流輸電技術(shù)研究[J].上海電氣技術(shù),2016,9(2)： 56-63.

[6] 潘偉勇.模塊化多電平直流輸電系統(tǒng)控制和保護(hù)策略研究[D].杭州： 浙江大學(xué),2012.

[7] 胡敬偉.模塊化多電平換流器型高壓直流輸電的啟動控制策略研究[D].長沙： 湖南大學(xué),2014.

[8] 管敏淵.基于模塊化多電平換流器的直流輸電系統(tǒng)控制策略研究[D].杭州： 浙江大學(xué), 2013.

[9] 周楊.基于模塊化多電平換流技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)研究[D].杭州： 浙江大學(xué),2013.

[10] 徐政，屠卿瑞，管敏淵，等.柔性直流輸電系統(tǒng)[M].北京： 機(jī)械工程出版社, 2013.

Core function of MMC-HVDC system focuses on the control of active power and reactive power in order to realize the direct power transmission at converter station. The MMC-HVDC mathematical model was derived from the structure of MMC-HVDC system while the decoupling controllers for active and reactive power were designed in thedqcoordinate system and a simulation demonstration was carried out under PSCAD environment.

MMC； HVDC； Decoupling Control

*江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實(shí)踐培訓(xùn)項目(編號： 2016QYSJ036)

2016年7月

陳莉(1985— )，女，碩士，助教，主要研究方向?yàn)殍F道供電技術(shù)。 E-mail： 552008231@qq.com

TM72

A

1674-540X(2016)03-015-06