基于MMC-UPFC的雙環解耦控制研究

李又豐，馬志鵬

(黑龍江科技大學電氣與控制工程學院 ，黑龍江哈爾濱，150022)

0 引言

隨著經濟的快速發展，電力需求逐漸增加。為了提高其性能，柔性交流輸電系統（FACTS）裝置在電力系統中得到了廣泛的應用。作為FACTS器件， UPFC可以調整并聯補償、串聯補償、相移和電壓調節等，提高電網的功率傳輸能力和穩定性[1]。

UPFC由并和串聯電壓源變換器組成。并聯側可與交流系統交換無功功率，實現交流電壓調節。同時，與電網交換有功，以保持直流電壓恒定。串聯變換器通過調整注入電壓和相位來調節。MMC作為一種多電平結構，為高壓大容量提供了新的機遇。其模塊化結構，是大容量UPFC的理想拓撲。因此，本文對MMC-UPFC進行了研究。

1 MMC-UPFC的拓撲與工作原理

MMC-UPFC的基本結構如圖1[2]。由兩個背靠背的MMC組成，分別通過并聯和串聯變壓器與交流系統相連。MMC的拓撲如圖2所示。在緊急情況下，采用可控硅旁路開關(TBS)快速切斷，對整個裝置起到保護。這種結構構成了一個理想的交-交功率變換器，使兩個變換器間的有功雙向流動，每個變換器都獨立地產生或吸收無功。并聯側的功能：一是有功調節。提供串聯側所需的有功，使直流母線電壓穩定。二是提供獨立的無功補償。串聯側的功能是控制注入系統的電壓的幅值和相位來控制傳輸線的功率流。

圖1 MMC-UPFC系統拓撲

MMC-UPFC可根據設備的電壓和容量，靈活配置。通過相應的調制，可以在開關頻率不高時，有效地降低輸出的諧波。

圖2 MMC電路拓撲圖

2 MMC-UPFC的數學模型

2.1 MMC數學模型

根據圖2，本研究采用MMC平均模型。橋臂電流和閥側交流電之間的關系為

式中ipj,inj為上下橋臂電流，isj為閥側電流，izj為j相循環電流。

根據KVL可知j相上下橋臂與直流側形成兩個回路，，這兩個電路滿足以下等式：

式中Udc為直流母線電壓，upj,unj為表示上下橋臂輸出電壓，usj為閥側交流電壓。

將上式中兩式相加，可以得出（3）式

（2）式相減得到MMC交流電壓如（4）式

式（1）～式（4）構成了MMC數學模型。

2.2 串、并聯側變換器的數學模型

根據KVL，并聯側變換器在三相靜止坐標系的數學模型如式（5）所示。

式中Vlj為公共點三相交流電壓，Vshj,ila為交流電壓，電流。Rsh為等效電阻。Lsh為等效電感。

將（5）式進行Park變換后得到同步旋轉 dq 軸下的并聯側換流器數學模型為

同理，串聯側在d-q軸下的數學模型為

3 MMC-UPFC的控制策略

采用內環電流、外環電壓雙環解耦控制策略，效果較為理想。并聯側定交流電壓、電流控制，在各模式下，可以采取定無功替換定電壓控制；串聯側定有功、無功控制。

3.1 并聯側控制策略

并聯側其控制在并網模式下其采取的控制方式是定無功和有功功率控制。主要是通過有功電流分量來維持直流電容的穩定，并給串聯側換流器輸送相應的有功功率；另用來提供無功補償的電流分量，使接入點母線電壓穩定。并聯側控制策略如圖3所示。

圖3 換流器并聯側控制框圖

3.2 串聯側控制策略

串聯側是維持直流電壓和調節無功。通過控制串入電網電壓的相位及幅值，改變線路潮流。其控制主要由給定的線路傳輸功率指令利用瞬時功率理論算得到線路電流的給定指令，根據線路和換流器電流間先存在變壓器的變比關系，可算得輸出電流的參考值，串聯側的控制策略如圖4所示。

圖4 換流器串聯側控制框圖

4 MMC-UPFC的仿真

利用Matlab/ Simulink對MMC-UPFC建模。仿真輸出結果，如圖5所示。可以看出輸出側電流和電壓同相位，且幅值一樣。

5 結束語

本文通過基本控制策略對MMC-UPFC進行了仿真驗證。其基本控制策略是雙環解耦控制策略，內環電流控制、外環電壓控制，由并聯側維持電壓穩定，串聯側抑制潮流的雙頻波動。通過仿真驗證了MMC-UPFC的有效性。

圖5 仿真模型