基于PSCAD的模塊化多電平換流器仿真研究

譚邵卿，盧思翰

（1.山東大學電氣工程學院，濟南250001；2.東北大學信息科學與工程學院，沈陽110819）

基于PSCAD的模塊化多電平換流器仿真研究

譚邵卿1，盧思翰2

（1.山東大學電氣工程學院，濟南250001；2.東北大學信息科學與工程學院，沈陽110819）

作為新一代直流輸電技術，基于電壓源換流器（VSC）的柔性直流輸電（VSC－HVDC）發展前景廣闊，特別是模塊多電平換流器（MMC），將日趨成熟并廣泛應用到輸電領域。主要研究模塊化多電平換流器系統的主電路參數設計、控制方法和仿真建模方法。在EMTDC／PSCAD平臺上，搭建兩端模塊化多電平換流器直流輸電（MMC－HVDC）的詳細仿真模型，通過對模型在額定狀態和功率波動狀態下的運行結果進行分析，驗證了仿真模型的有效性。

柔性直流輸電；模塊化多電平換流器；換流器建模

0 引言

隨著VSC-HVDC技術的不斷發展，如何提高VSC-HVDC系統的容量和電壓等級成為研究重點之一，MMC作為換流器的一種新型拓撲，在提高系統容量和電壓等級問題上有其獨特優勢［1］，引起了國內外學者的重視，使MMC研究取得了一定的成果。

硬件優化和數學建模方面，文獻［2］推導出了換流器同一相單元上、下橋臂的電感非公共端的電位相等，為MMC換流器的分析提供依據；文獻［3］對換流器的電容設計進行了優化。調制方式與控制方面，文獻［4］討論了最近電平逼近調制（NLM）應用于MMC的可行性；文獻［5］在MMC傳統雙環控制的基礎上，通過設置動態電流限幅環節，并采用混合調制策略，改善了換流器交流的側的波形，并提高了系統的動態性能。

針對MMC-HVDC的仿真技術展開研究，研究MMC換流器的基本原理、控制方法，根據系統的運行計算并設計出系統的主電路參數，基本單元的控制器的設計，在EMTDC/PSCAD平臺上搭建了MMC-HVDC的仿真模型，并在不同工況下驗證仿真系統的有效性。

1 主電路參數設計

主電路參數是MMC-HVDC系統設計的重要組成部分，研究兩端MMC-HVDC系統建模與仿真，首先需要準確設計系統的主電路參數，主要包括系統阻抗、換流變壓器、橋臂電抗、子模塊直流電容等參數。

1.1 系統阻抗

一般情況下，計算系統的等效阻抗為

式中：Xs為系統等效阻抗；Uk為短路電壓；Sk為出口短路器的短路容量，為

式中：UC為短路時斷路器的工作電壓，一般可認為UC=Uk；IC為斷路器的額定開斷電流。

本文中交流系統額定電壓取110 kV。一般情況下，短路電壓可取額定電壓的1.05倍，忽略系統電阻。

1.2 換流變壓器

換流變壓器的容量取換流器容量的倍，閥側電壓大致可取Udc／2的倍，換流變壓器的繞組連接方式采用網側星型接地，閥側星型不接地或三角形聯結［6］。

換流變壓器的短路阻抗一般要滿足換流閥的浪涌電流水平、換流器消耗的無功功率以及換流站費用3個方面的要求。本文取其經驗值。

1.3 子模塊直流電容

圖1為MMC換流器的單相等效電路［7］。

圖1 MMC換流器的單相等效電路

令uvj為換流器交流側第j相的內部電動勢，Udc為換流器直流側的直流電壓，定義換流器的輸出電壓調制比k為

令Iv為換流器交流側輸出的線電流峰值，Idc為換流器直流側電流，定義輸出電流調制比m為

以a相為例，即令j=a，根據圖1容易得到

根據對稱，上橋臂和下橋臂各承擔一半交流電流，所以上、下橋臂的電流為

由于上、下橋臂互補對稱，不難得到

根據式（5）～（8）可得到C0為［8］

式中：Ps為換流器視在功率；N為單個橋臂子模塊數；UC為電容額定電壓；ε為電容上電壓的波動百分比。

一般，根據式（9）可計算得到直流電容的初始值，還需要根據仿真運行結果進行適量的調整。

1.4 橋臂電抗

MMC換流器的橋臂電流中除了基波分量外，還存在二倍頻的環流，在確定直流電容的過程中未考慮環流的存在，所以對式（5）和（7）進行修正得［7］

式中：Ukm為二倍頻環流電壓的峰值，根據對稱，假設其在上橋臂和下橋臂中平分。根據式（10）和（11）即可推出橋臂電抗為

式中：Ikm為二倍頻環流峰值。

2 控制器設計

2.1 換流器數學模型

根據基爾霍夫電壓定律，可以得到abc坐標系下換流器的時域數學模型

式中：usg（g=a，b，c）為交流系統相電壓瞬時值；ucg為換流器端相電壓瞬時值；ig為流入換流器的相電流瞬時值；L和R分別為交流側總電感和交流側總電阻。

將式（13）進行整理可得

式（14）的特點是直觀清晰，但是由于電壓和電流都為時域量，隨時間的變化會變化，不便于控制系統設計。因此，可以通過派克變換將abc坐標系中的時域量變換為dq0坐標系中的直流量，從而可以方便控制系統的設計。將式（14）進行派克變換可得［9］

這樣就可以根據式（15）得到換流器在dq0坐標系下的數學模型，結構如圖2所示。從圖中可以看出，通過調節換流器的輸出電壓ucd和ucq就可以控制換流器的一次側電流id和iq，從而實現對有功功率和無功功率的控制。

圖2 電壓源型換流器暫態模型框圖

2.2 內環電流控制器

內環電流控制器作用主要是通過調節換流器的輸出電壓ucd和ucq，使id和iq跟其參考值idref和iqref。從圖2中不難看出，id和iq之間存在相互耦合，給控制帶來了不利，在設計控制器時應考慮對id和iq的解耦，因此，進行式（16）所示的解耦變換［10］

將式（16）代入式（15）可得

從式（17）可看出已經實現了id和iq的解耦。因此，式（16）可以實現內環電流控制器的解耦設計，內環電流控制器結構如圖3所示。

圖3 內環電流控制器

3 算例與分析

3.1 仿真參數

在PSCAD仿真平臺上，對如圖4所示的兩端MMC-HVDC的系統進行仿真，其中，VSC1端為送端，采用有功功率控制和無功功率控制，VSC2端為受端，采用直流電壓控制和無功功率控制。調制方式采用SPWM方式，調制頻率為1 350 Hz。

圖4 兩端MMC-HVDC系統拓撲結構

系統各仿真參數根據第一節內容進行計算，具體的系統仿真參數如表1所示。

表1 兩端MMC-HVDC系統仿真參數

對換流器VSC1和換流器VSC2的控制參數如表2所示，規定有功功率和無功功率都以注入換流器方向為正方向，換流器VSC1和換流器VSC2額定運行時，均向各自的交流系統發出60 Mvar的無功功率。

表2 兩端MMC-HVDC控制參數

3.2 仿真結果與分析

為了驗證該模型的有效性，分別在額定狀態和功率波動狀態下對該模型的仿真結果進行分析驗證。

3.2.1 額定狀態

額定狀態下，驗證仿真模型的有效性，換流器控制參數采用表2中的額定控制參數，系統額定運行時的穩態仿真結果如表3所示。

表3 兩端MMC-HVDC系統穩態額定仿真結果

通過表3可看出，各控制參數均達到了滿意的控制結果。由于直流線路阻抗上的壓降，VSC1側的直流電壓比VSC2側稍高；由于線路損耗以及換流器損耗，傳輸到VSC2側的有功功率比VSC1側稍低，符合實際情況，從而驗證了該仿真模型的有效性。

3.2.2 功率波動狀態

當功率發生波動時，驗證仿真模型的有效性。假設在0.7 s時，系統發生功率波動，VSC1側發出的有功功率下降20 MW，VSC1下降10 Mvar。

功率波動時PSCAD仿真曲線如圖5～圖7所示，從圖中可以看出當功率發生波動時，各控制參數能夠實現快速跟隨，從而驗證了該仿真模型的有效性。

圖5 VSC1側有功功率

圖6 VSC2側有功功率

圖7 VSC1側無功功率

4 結語

對MMC換流器進行了仿真研究，根據系統運行設計了MMC-HVDC系統的主電路參數設計，研究了MMC的控制方法。在EMTDC／PSCAD平臺上搭建了兩端MMC-HVDC仿真模型，通過額定狀態和功率波動狀態下的仿真分析，驗證了該模型的有效性。

［1］馬為民，吳方劼，楊一鳴，等.柔性直流輸電技術的現狀及應用前景分析［J］.高電壓技術，2014，40（8）：2 429-2 439.

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［4］管敏淵，徐政，屠卿瑞，等.模塊化多電平換流器型直流輸電的調制策略［J］.電力系統自動化，2010，34（2）：48-52.

［5］何大清，蔡旭.模塊化多電平變流器的限幅控制和混合調制［J］.電力自動化設備，2012，32（4）：63-66.

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［7］徐政.柔性直流輸電系統［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［8］TU Qingrui，XU Zheng，XU Lie.Reduced switching－frequency modulationandcirculatingcurrentsuppressionformodular multilevelconverters［C］／／TransmissionandDistribution Conference and Exposition（T＆D），2012 IEEE PES，Orlando，FL，2012.

［9］陳謙，唐國慶，胡銘.采用dq0坐標的VSC-HVDC穩態模型與控制器設計［J］.電力系統自動化，2004，28（16）：61－66.

［10］周明霞.VSC-HVDC控制策略及仿真研究［D］.北京：華北電力大學，2009.

Simulation of Modular Multilevel Converter Based on PSCAD

TAN Shaoqing1，LU Sihan2
（1.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250001，China；2.School of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

As a new generation of HVDC（High Voltage Direct Current），VSC－HVDC（Voltage Source Converter based HVDC）has become promising HVDC，MMC（Modular Multilevel Converter）in particular,will be more and more mature and widely used in transmission areas.In this paper,the content of MMC－HVDC is mainly studied,including design of main circuit parameters，control method and simulation modeling.Two－terminal MMC－HVDC detailed model is constructed on PSCAD／EMTDC.The analysis of simulation results and power fluctuation show that the constructed model is valid.

VSC－HVDC；modular multilevel converter（MMC）；converter modeling

TM46

A

1007－9904（2016）11－0035－04

2016-10-25

譚邵卿（1995），男，研究方向為電氣工程自動化。