基于PI控制的MMC—HVDC環流抑制策略

劉英杰　宋吉江　牛軼霞

摘 要：由于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的三相橋臂相當于并聯在直流側，其三相橋臂的電壓不可能完全相等，必然在三相橋臂中產生環流，導致橋臂電流波形發生畸變，影響輸出波形，增加系統損耗。本文分析了環流產生的機理，研究了MMC的環流抑制策略，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建21電平的MMC模型進行仿真，結果表明，環流抑制器不僅僅能夠對環流有抑制作用，改善電壓波形，而且能夠一定程度上降低子模塊電壓波動大小。

關鍵詞：MMC；電容電壓；環流抑制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.110

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展與電力電子技術的進步，模塊化多電平換流器型高壓直流輸電（MMC-HVDC）作為新一代的直流輸電技術[1]，除了具有傳統直流輸電的特點之外，還具有不存在換相失敗、獨立控制有功功率和無功功率、諧波含量低、適合構成多端直流輸電系統等優點，可廣泛應用在可再生能源并網、分布式發電并網、孤島供電、城市電網供電和異步交流電網互聯等領域[2-3]。但MMC換流器的輸出通過子模塊電壓疊加而成，系統運行時，各個橋臂的電壓不可能保持在在一個完全相同的值，使得橋臂不僅含有直流分量，而且存在一定的環流，將會導致橋臂電流發生畸變，影響電容電壓的平衡，增加不必要的損耗，因此需要對MMC的環流進行抑制。

1 環流產生的機理

MMC由三個相單元組成，每個相單元由N個級聯的子模塊（Sub module，SM）和一個電抗器LO串聯而成的上下兩個橋臂單元構成，SM由兩個帶反并聯二極管的絕緣柵雙極晶體管IGBT串聯后與一個儲能電容器并聯組成。

由于MMC換流器的對稱結構，以A相為研究對象，將上下橋臂看做一個整體，MMC環流不僅包括直流分量，而且還包括二倍頻的交流分量，MMC中三相環流按照a-c-b的順序流動，并且各相環流之和為零[4]，因此，環流只在MMC內部各相之間來回流動，母線電流中不包含二倍頻分量。環流的存在不僅會增加器件功率損耗和系統成本，而且會增大電容電壓的波動，因此，環流的抑制非常重要。

2 MMC環流抑制

MMC內部環流主要由直流分量和二倍頻交流分量兩部分構成，其他高倍頻分量雖然存在，但是其幅值較主要組成部分而言小很多，可忽略不計，因此，環流抑制策略主要抑制環流中的二倍頻分量，又因二倍頻分量具有負序性質且僅在MMC內部各相之間進行流動，故可以用兩倍頻負序的旋轉坐標變換將二倍頻環流分解為兩個直流量，再使用PI控制器進行控制。

環流抑制控制的基本步驟為：首先將三相上下橋臂電流相加除以2得三相內部電流，其經過坐標變換后得到MMC內部環流的d軸分量和q軸分量，將其與對應dq軸的參考值相比較，這里參考值取零，將其差值經過PI調節器進行調節，環流數學模型中d軸與q軸之間存在耦合，為了消除它們的影響，引入電壓前饋分量，最后，將內部不平衡電壓降的dq軸參考值經逆變陣后得到負序三相內部不平衡電壓降參考值。

3 仿真驗證

為了驗證電容電壓均衡控制的有效性，在PSCAD/EMTD中搭建了21電平的MMC-HVDC系統仿真模型，采用NLM調制技術，仿真在初始時未加入環流抑制，在8s時加入環流抑制，其仿真結果如圖1所示。

由圖（a）可以看出投入環流抑制控制器后，環流立刻得到抑制，峰值降低，可見環流抑制器可以抑制環流。由圖（b）可知在沒有加入環流抑制前，MMC橋臂電流發生畸變，采用環流抑制策略之后，電流質量明顯提高，更加接近正弦波。由圖（c）可以看出采用環流抑制之后，子模塊電壓的波動也受到影響，其大小明顯降低，表明了環流抑制器不僅僅能夠對環流有抑制作用，而且能夠一定程度上降低子模塊電壓波動大小。由圖（d）可以看出MMC的交流電流在環流抑制之后，幾乎沒有發生變化，能夠驗證環流只在MMC內部流動，并不會影響MMC的外部特性，驗證了本文環流抑制的有效性。

4 總結

本文根據MMC橋臂電流含有直流分量與二倍頻分量的特點，研究了基于PI控制的環流抑制策略，通過仿真，驗證了本文所設計的基于準PI控制的環流抑制策略的有效性。仿真結果表明基于PI控制的環流抑制策略能夠有效抑制橋臂電流中的二倍頻分量，減小橋臂電流畸變，降低子模塊電容電壓波動，具有較好的環流抑制能力。

參考文獻：

[1]湯廣福，龐輝，賀之淵.先進交直流輸電技術在中國的發展與應用[J].中國電機工程學報，2016，36（07）：1760-1771.

[2]曹樂萌，趙巧娥，高金城，李奕凱.HVDC系統中MMC換流器控制策略研究[J].智慧電力，2017，45（10）：31-36.

[3]胡航海，李敬如，楊衛紅，李紅軍.柔性直流輸電技術的發展與展望[J].電力建設，2011（05）：62-66.

[4]周月賓，江道灼，郭捷，梁一橋，胡鵬飛.模塊化多電平換流器子模塊電容電壓波動與內部環流分析[J].中國電機工程學報，2012，32（24）：8-14.