模塊化多電平直流輸電系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定及噪聲優(yōu)化研究

郭能星 王 雪 朱 穎

（1、三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443002 2、三峽大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌443002）

1 概述

多端HVDC （MTDC）電網(wǎng)被認(rèn)為是一個(gè)可行的選擇，以容納大量的可再生能源進(jìn)入電力系統(tǒng)[1]。除了一些專門設(shè)計(jì)來解決故障[2]的特定拓?fù)渲?，半橋模塊化多電平變換器（MMC）是目前用來構(gòu)建這種電網(wǎng)的首選變換器拓?fù)?，它的抗過電流能力有限。

本文分析研究了基于MMC 的直流輸電系統(tǒng)中這種大型直流電抗器的穩(wěn)定性問題。本文重點(diǎn)研究了功率控制模式和電壓控制模式。由于較高的dv/dt 和di/dt 下的噪聲源較強(qiáng)，加上緊湊的SM設(shè)計(jì)[3]使得耦合更緊密，噪聲問題變得更加嚴(yán)重。本文論證了在每種控制模式下局部穩(wěn)定性問題的產(chǎn)生，并描述了在設(shè)計(jì)這些控制器時(shí)可能要考慮的修正措施。

2 直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制策略

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

當(dāng)帶有弱阻尼輸入濾波器的直流電源負(fù)載試圖保持功率常數(shù)時(shí)，可以觀察到直流母線電壓的振蕩。在最先進(jìn)的MMCs 中（見圖1），當(dāng)具有較大直流電抗器的DCCBs 安裝在MMCs 的直流端時(shí)，阻尼減小，系統(tǒng)可能會(huì)遇到類似[4]的穩(wěn)定性問題。在下面，簡要地回顧了這個(gè)負(fù)阻抗不穩(wěn)定性問題，并通過一個(gè)簡單的二階模型說明了直流電抗器可能造成的不利影響。

圖1 一個(gè)單轉(zhuǎn)換器集總參數(shù)模型

此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程可以用以下微分方程表示：

在實(shí)際中通常滿足的條件R2C ＜L 下，最大運(yùn)行功率受以下漸近穩(wěn)定性條件限制：

2.2 特征值分析

為了進(jìn)一步分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制參數(shù)的影響，在Matlab/Simulink 中開發(fā)了更詳細(xì)的系統(tǒng)模型。它由兩個(gè)MMC 站MMC 1 和MMC 2 組成，這代表了MTDC 電網(wǎng)中的兩種控制模式，即電壓控制模式和功率控制模式。MMC 1 為電壓控制模式，這里采用電壓下垂法，這是MTDC 電網(wǎng)運(yùn)行中常用的控制方法，而MMC 2 為恒功率模式，遵循給定的功率設(shè)定值：

圖2 MMC 和內(nèi)部控制的方框圖

圖2 展示了外部控制器方案。所實(shí)現(xiàn)的控制設(shè)計(jì)基本符合，MMC 的總能量可由直流電源或交流電源控制。將所建立的模型與關(guān)聯(lián)控制相結(jié)合，進(jìn)行了特征值分析。

3 信道噪聲模型分析

考慮SVSN 的MMC 模型：

在MMC 開關(guān)模型中，SVSN 可以通過增加SM 的等效電路來引入。與傳統(tǒng)的MMC 模型相比，在SM電壓采樣電路中集成了一個(gè)噪聲單元（即考慮SVSN 對(duì)VSM的影響的VSMV）。如果噪音低,α 可以設(shè)置為0, 而在高噪聲環(huán)境下, 也廣泛應(yīng)用于MMC 模擬,類似與平均模型通過添加噪聲單元（7）。

圖3 基于SVSN 的SM 電壓傳感器原理圖

SM電壓傳感器的等效電路已在圖3 中給出，通過對(duì)采樣周期內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到平均電壓。噪聲耦合可以用分壓器的PCB 軌跡和SM 的中點(diǎn)（即vPWM）之間的寄生電容CHi（i = 1,2，…，N）來建模。在高dv/dt 環(huán)境下，SVSN 通過耦合影響MMC 的運(yùn)行。在±100 kV 高壓直流輸電系統(tǒng)中，包括有SVSN和沒有SVSN。最近的電平調(diào)制應(yīng)用于10 kHz 開關(guān)頻率的SM。由于電壓平衡控制，SM 需要在插入模式（D = 1）和旁路模式（D= 0）之間進(jìn)行切換，導(dǎo)致占空比發(fā)生變化（例如，410 V 峰值SM電壓相對(duì)于不使用SVSN 的170 V）。

圖4 考慮SVSN 的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果- 平均模型

在MMC 的SM 中，SVSN 是通過分壓器和SM 中點(diǎn)之間的寄生電容耦合的。噪聲大小是由占空比的變化決定的。

以上分析表明，通過減小直流功率控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)帶寬，可以減輕大型直流電抗器在恒功率工況下的穩(wěn)定性限制。該反饋控制器基于簡單的PI 控制，并采用適當(dāng)?shù)恼ǚ椒?，可?shí)現(xiàn)直流功率控制的閉環(huán)帶寬，擴(kuò)展穩(wěn)定工作區(qū)域。

4 下垂算法增益影響

與其他電源轉(zhuǎn)換器相比，具有易于擴(kuò)展性、高電壓質(zhì)量、濾波器尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。在電壓下垂控制中，下垂增益決定了站點(diǎn)對(duì)直流電壓波動(dòng)的貢獻(xiàn)程度。當(dāng)下垂增益g 定義為功率偏差與電壓偏差的商，即g =△P/△vdc 時(shí)，隨著下垂增益的增大，對(duì)給定電壓偏差的貢獻(xiàn)程度也增大;因此，需要更快的功率控制。本節(jié)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)分配的下垂增益和直流電源控制器的時(shí)間響應(yīng)的依賴性。因此，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須避免下垂增益的過大值。

5 結(jié)論

本文分析了基于mmc 的直流輸電系統(tǒng)在變流器直流側(cè)端安裝大型直流電抗器時(shí)可能出現(xiàn)的潛在不穩(wěn)定性問題。這種不穩(wěn)定性問題被稱為負(fù)阻抗不穩(wěn)定性，在某些條件下會(huì)對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)格的限制。然后，通過減小閉環(huán)功率控制的帶寬，可以有意地增大系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。過高的直流電壓下降增益會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。所提出的切換模型和平均模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。該模型可以描述電機(jī)的電壓不平衡和臂電流諧波。

雖然從靜態(tài)的角度來看，較大的下垂增益是首選的，但所獲得的結(jié)果表明，必須仔細(xì)注意下垂增益的調(diào)整，以避免侵略性的動(dòng)態(tài)和確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。