基于MMC的二次諧波環流抑制器的設計

宋吉江 牛軼霞 朱榮俊

摘 要：MMC的環流只在橋臂內流通，造成功率的損耗和器件耐壓的增加，為抑制MMC橋臂環流，重新設計了基于MMC的二次諧波環流抑制器。該抑制器采用NLM調制算法，解決了多電平時CPS-SPWM功耗較高的問題，通過合理選擇硬件電路的參數，實現橋臂環流的抑制，通過單端21電平仿真模型驗證其有效性。

關鍵詞：MMC；環流抑制；二次諧波過濾器；NLM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.139

0 引言

智能控制技術的發展，帶來了輸、變、配電系統的變革[1-2]。尤其是MMC的出現，引領了電力系統發展的潮流，一舉突破了兩電平、三電平耐壓不高和功率提升困難的瓶頸問題，通過模塊化疊加的思路，從另一個角度實現了耐壓、功率的巨大提升，大力推動了直流輸電技術發展，然而解決問題的方法也伴隨著新的困難的出現，那就是控制的難度隨著模塊數目的增加，也變得更為復雜[3]。

橋臂環流是影響其穩定的重要因素之一，是目前研究的重點。文獻[4]對二倍頻環流進行坐標變換，設計了比例積分（PI）控制器來消除環流。文獻[5]采用基于NLM調制方式，重新設計了PI環流抑制器。文獻[6]驗證了基于CPS-SPWM的二次濾波裝置的環流抑制效果，但使用載波調制增加了開關損耗。本文把NLM調制和二次諧波過濾器結合起來，設計了基于MMC的二次諧波環流抑制器，實現環流的抑制。

1 MMC環流的成因及影響

MMC子模塊電容級聯于橋臂中，各自分擔一部分直流電壓，通過電容數量的有機組合構建輸出的交流電壓，當電流在橋臂內流通時，因元器件制造工藝的差別，相同的元器件仍會有部分的差異，造成橋臂間的電壓很難保持一致，這就會引起電容電壓的波動，帶來環流的問題。環流在橋臂內流通，不僅會引發元器件發熱，增加系統損耗，還會對系統的穩定性構成影響。因此，為提高系統的穩定性，必須進行環流抑制。

2 MMC二次諧波環流抑制器

MMC在正常工作時，環流以二次諧波為主，因此可以設想通過簡單的電感、電容諧振電路的方式濾除。由于環流只在各個相單元中流通，對外不以輸出電流的形式表示，參考ABB公司二次諧波濾除方式[6]，在每個相單元中接入諧波過濾器，以期達到環流抑制的效果。

該方式實現起來較為簡單，可以與當前的調制策略相匹配，圖1為MMC二次諧波過濾器結構，通過合理的選擇電感、電容參數，在基波條件下，實現電橋的平衡，這樣C0就沒有電流流過，對于二次諧波，通過諧振的方式將其濾除。

3 MMC環流抑制器仿真

為驗證設計的基于MMC二次諧波環流抑制器的有效性，搭建了單端21電平MMC-HVDC系統。算例的調制方式為NLM調制算法，外環功率控制采用定直流電壓和定無功功率控制，其設定值為320kV和-50Mvar。

圖2為A相橋臂環流，從圖中可以看出，a）未進行環流抑制，橋臂環流的主要成分為二倍頻環流，此時A相橋臂環流的峰峰值為0.5kA。b）為使用濾波器進行環流抑制，相比a）來說，二倍頻得到一定的程度的抑制，此時的環流峰峰值約為0.32kA。

圖3為A相上橋臂電流的諧波分析圖，上橋臂電流通過FFT變換后，提取出基波和各次諧波的含量，進行諧波分析，發現兩種情況下的THD曲線總體趨勢一致，在具體時刻上波形略有差別，具體表現為上橋臂的電流在啟動時的諧波畸變率（THD）啟動時較高，約在2.1%左右，啟動后迅速降低，經過1.2S后，基于MMC的二次諧波環流抑制器基本濾除諧波，而未進行環流抑制的諧波始終維持在0.2%左右。

4 結論

本文分析了環流的成因，主要成分為二倍頻負序環流，環流疊加在橋臂中，導致波形畸變，無形中增大了系統的耐壓、功率損耗等指標，必須進行環流抑制。把二次諧波過濾器應用于模塊化多電平換流器中，結合NLM調制算法，解決了多電平時CPS-SPWM功耗較高的問題，同時合理選取硬件電路的參數，實現了橋臂環流的有效抑制。

參考文獻：

[1]朱榮俊，宋吉江，蔡富東等.基于STM32的變電站輔助監控系統的設計[J].山東理工大學學報，2017，31（06）：29-33.

[2]朱榮俊，宋吉江，王延博等.基于藍牙模塊的新型非接觸輸電線路驗電系統的設計[J].山東工業技術，2017（10）：145+120.

[3]朱榮俊，宋吉江，蔡富東.模塊化多電平換流器快速預充電控制[J].山東工業技術，2018（03）：157.

[4]屠卿瑞，徐政，管敏淵等.模塊化多電平換流器環流抑制控制器設計[J].電力系統自動化，2010，34（18）：57-61+83.

[5]馮志國，葛曼玲，陳玉民.模塊化多電平換流器的環流抑制方法研究[J].電機與控制應用，2017，44（10）：48-52+58.

[6]張建坡，趙成勇.模塊化多電平換流器環流及抑制策略研究[J].電工技術學報，2013，28（10）：328-336.

作者簡介：宋吉江（1963-），男，山東煙臺人，教授，碩士生導師，研究方向：大功率電力電子變流器。