低电平MMC-HVDC样机滤波装置设计

王卫安， 桂卫华

(1.中南大学信息科学与工程学院， 长沙 410083； 2.南车电气技术与材料工程研究院， 株洲 412001)

低电平MMC-HVDC样机滤波装置设计

王卫安1，2， 桂卫华1

(1.中南大学信息科学与工程学院， 长沙 410083； 2.南车电气技术与材料工程研究院， 株洲 412001)

为了确保低电平模块化多电平换流器直流输电(MMC-HVDC)样机注入公共电网的谐波含量符合现有的电能质量标准条例，对其进行配套的滤波装置设计是必要的。文章根据MMC拓扑结构特点，推导出了MMC的等值电路，并将MMC看成一个有多种谐波的谐波电压源，从而设计了MMC交流侧谐波的等效电路。在此基础上，结合MMC-HVDC的调制策略，设计出了与样机配套的滤波装置，仿真结果表明了其滤波装置设计方法的正确性。

智能电网； 电能质量； 高压直流输电； 模块化多电平换流器； 调制策略； 滤波装置； 低电平

随着经济发展、社会进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临着新课题和新挑战。依靠现代信息、通信和控制技术，积极地发展智能电网，适应未来可持续发展的要求，已成为国际电力发展的现实选择[1，2]。

基于电压源换流器的直流输电VSC-HVDC(v-

oltate-sourced converter high voltage direct cur-

rent)技术，即柔性直流输电技术，是新一代更为灵活、环保的直流输电技术，解决了常规直流输电的诸多固有瓶颈[3，4]，是智能电网领域的关键技术之一[1，5]，根据其技术特点，很适合应用于可再生能源并网，分布式发电并网，孤岛供电，城市电网供电，异步交流电网互联等领域[6，7]。

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)[8]是西门子公司提出的一种新型拓扑结构的电压源换流器VSC(voltate-sourced converter)，这种结构将一个单管H桥集成在一个子模块内，再将子模块串联，从而避开了大量开关器件的直接串联的难题，对器件的开关一致性要求不高[9]；可以达到很大的电平数；输出特性好。

为了更好地研究和掌握MMC-HVDC核心技术，同时考虑到投资成本，南车电气技术与材料工程研究院拟建立如图1所示的5电平背靠背MMC-HVDC样机。由于样机电平数比较低，MMC运行状况的非线性将会产生较大的谐波，这会对电网产生污染，并产生一系列的危害[10]，因此对低电平MMC-HVDC样机产生的谐波污染进行治理是必要的，这也与智能电网所提倡的“清洁、环保、高效”理念[2，11]相一致。本文采用在样机交流侧配置滤波装置的方法来对图1的MMC注入公共电网公共连接点PCC(point of common coupling)的谐波进行抑制，使之满足现有的电能质量技术标准，并通过仿真来验证该方法的正确性。图1所示的双端有源MMC-HVDC样机系统对称，Zs1、Zs2为系统阻抗；滤波装置安放在换流变压器的阀侧，一方面可以降低滤波器承受电压的等级，从而减少滤波器设计成本；另一方面可以在阀侧对MMC产生的谐波进行抑制，从而可以减少谐波对换流变压器的危害。

图1 MMC-HVDC样机

1 MMC等值电路

图1中MMC基本的拓扑结构如图2所示[10，12]。

MMC基本的电路单元称为子模块，由两个绝缘门双极晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)开关器件和一个直流储能电容构成。出于模块化设计、制造和装配的目的，各子模块的额定值相同。换流器的三相桥臂均是通过一定量的具有相同结构的子模块和一个阀电抗器串联组成。阀电抗器主要起到限制相单元间环流以及故障电流上升率的作用，每个桥臂电抗器的值也相等。通过变化所使用的子模块的数量，就可以灵活改变换流器的输出电压和功率等级。由于各个相单元中处于投入状态的子模块数是一个定值[12]，所以可以通过将各相单元中处于投入状态的子模块在该相单元上、下桥臂之间进行分配而实现对a、b、c三点输出交流电压的调节。

各子模块按正弦规律依次投入，构成的桥臂电压可以用一个受控基波电压源Upj，Unj(j=a,b,c)等效。图2上、下桥臂阀电抗器不相连的两端点等电位[13]，则每相上下桥臂的电抗相当于并联。因此，可以将等电位点虚拟短接，从而可以将阀电抗器移到换流器交流输出线上。根据上面的分析，得到的MMC等值电路如图3所示。

图2 MMC基本拓扑结构

图3 MMC等值电路

图3中，m=(a,b,c)；vm为图2等电位点的电压；等效电抗器L的值为图2中单个桥臂串联电抗器值的一半。

2 MMC交流侧谐波分析计算

2.1基于NLM的MMC输出端口基波和谐波电压计算

图3的MMC输出端口电压vm的基波和谐波特性与MMC采用的调制策略有关，由于MMC自身所具有的“模块化”构造特点，可以简便地得到较高电平的多电平输出。当输出电平较大时，可以摒弃传统的脉宽调制PWM(pulse width modulation)高频控制方式，采用低开关频率的多电平控制方式就能得到品质较优的波形。低开关频率可以带来器件开关损耗及系统总损耗的极大降低，提高换流系统的效率、可靠性及经济性。最近电平逼近调制NLM(nearest level modulation)[14]是一种较好的低开关频率的多电平控制方式，该调制的原理是使用最近的电压矢量或电平瞬时逼近调制波，如图4所示[14～16]。考虑到实际应用的MMC-HVDC工程中，MMC子模块数较多，输出电平大，因此本文将NLM作为图1样机MMC的调制策略。

图4 最近电平逼近调制策略示意图

图4的调制波us=m·sin(ωNt)、Uc为子模块平均电压。由图4可知NLM调制的输出电压波形为1/4周波奇对称，运用傅里叶级数理论，根据前1/4周期内的一组开关角就可以得到NLM调制时的A相MMC输出端口va的基波和谐波电压解析表达式，如式(1)所示[15，16]。式(1)的θi表示第一个1/4周期内第i个电平阶跃开始投入时的电角度，单位为弧度；s为第一个1/4周期内的电平阶跃数，通常等于n/2。

cos(hθ2)+…+cos(hθs)]sin(hωNt)

(1)

由式(1)可知，MMC输出端口电压只有奇次谐波，没有偶次谐波。

使用反三角函数可以得到式(1)的各开关角的离线解析表达式，并代入式(1)，便可计算出MMC输出端口基波电压和各次谐波电压的幅值。

2.2MMC交流侧谐波电流计算

2.2.1 注入PCC点谐波电流允许值的确定

在进行样机滤波器设计之前，需要确定PCC点谐波电流畸变的允许值，该值将直接决定滤波系统的造价。由式(1)可知，注入PPC点的谐波电流将主要是奇次谐波。关于注入PCC点谐波电流允许值，国外和国内均制定了相应的标准条例。IEEE-IAS发布的IEEE-519和我国技术监督局发布的中华人民共和国国家标准GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的电力系统独立用户奇次电流谐波注入PCC点的限制分别如表1和表2所示。

当PCC点最小短路容量不同于表2的基准短路容量时，可按式(2)修正表2的谐波电流允许值[17]。

(2)

式中，S1为PCC点的最小短路容量；Sb为基准短路容量；Ihp为表2中第n次谐波电流允许值；In为短路容量S1时第n次谐波电流允许值。

表1 IEEE-519制定的PCC点谐波电流限制标准

表2 GB/T 14549-1993制定的PCC点谐波电流限制标准

2.2.2 第n次滤波支路流过的谐波电流计算

由图3可以看出，MMC可等效为电压源。将MMC看成一个有多种谐波的谐波电压源，并且该谐波源的每次谐波与换流器谐波具有相同电压Ucon(n)，Ucon(n)的幅值可由2.1小节计算求得。根据图1的MMC-HVDC样机系统电路拓扑结构和图2的MMC等值电路，可得到计算MMC交流侧谐波的等效电路图，如图5所示。

图中，ZS(n)是系统的n次谐波阻抗；ZTR(n)是换流变压器的谐波阻抗；ZL(n)为图2所示的等效相电抗L的谐波阻抗；ZF(n)是滤波器的谐波阻抗。为了简化计算，认为谐波阻抗ZF(n)对第n次谐波而言趋近于0，因此，可近似得到谐波电压源Ucon(n)经过等效电抗后输出的谐波电流Icon(n)为：

(3)

式(3)表明，从等效电抗L入口来看，MMC和等效电抗器整体可看作谐波电流源。根据式(3)、图5以及表2确定的注入PCC点谐波电流IPCC(n)允许值，就能够确定第n次滤波器支路流过的谐波电流IF(n)的大小。

图5 MMC交流侧谐波计算的等效电路

3 样机滤波装置参数计算方法

由于NLM是低开关频率的多电平控制方式，因此MMC输出电压的低次谐波分量较大。由于双调谐滤波器对失谐较为敏感，谐振作用低压元件的暂态额定值可能较高；而单调谐滤波器结构简单，对单一重要谐波的滤除能力强，损耗低，且维护要求低，本文设计单调谐滤波器来滤除MMC产生的低次谐波。

由于柔性直流输电系统不需滤波器无功功率补偿，其滤波器的无功补偿容量应尽可能的小，以免影响系统运行性能。因此，MMC-HVDC样机滤波电容器的安装容量可按照最小容量来设计，第n次滤波电容最小安装容量所对应的电容值为[17]

(4)

式中，ω0为基波频率；U(1)为换流变压器阀侧交流母线电压的基波分量。

由于单调谐滤波器在第n次谐波频率谐振，则有：

(5)

由式(5)可得电抗器值为：

(6)

滤波器电阻值为：

(7)

一般最佳的q值在30～60。

4 仿真分析

为了验证前述MMC-HVDC样机滤波装置设计方法的正确性，采用仿真软件PSCAD建立了图1所示的低电平背靠背MMC-HVDC样机的仿真模型。采用的调制策略为NLM；MMC单个桥臂子模块数均为4个(不计冗余)；额定输送容量为1.5MW；额定直流电压为±25 kV；两侧交流系统对称，电源电压为10 kV，换流变压器采用Yn/Δ接法，线电压变比为10 kV/2.5 kV；系统阻抗L=1 mH，R=0.01 Ω，子模块电容C=6000 μF；桥臂电抗取L=0.004 H。

4.1 样机滤波器参数的求解

根据第2.1小节，计算MMC输出端口处谐波电压含量如图6所示。

图6 MMC输出端口处谐波电压含量

由图6可以看出，3、5、7等低次谐波电压含量比较大，高次谐波电压含量很小，实际上，该测量点位于阀电抗器与子模块连接处，由图5可知，注入PCC点的谐波电流的幅值取决于PCC点谐波电压、交流系统阻抗和换流器的谐波阻抗。经仿真分析，PCC点3、5、7次谐波电流含量较大。

由于系统阻抗很小，短路比SCR达到212.16，因此可将系统电源近似为一个无穷大电源，PCC点谐波电压很小，可以忽略不计。

本文采用3组单调谐滤波器来滤除3、5、7次谐波。三相滤波器有Y接法和Δ接法。Y接法时滤波器每相承受的电压低，电流大，电抗器绝缘要求低，当发生断相故障时，对应的线电流将为0；Δ接法时滤波器每相承受的电压高，电流小，但电抗器绝缘要求较高，当发生断相故障时，对应的线电流不为0。为降低滤波器的绝缘要求，本文滤波器采用Y接法。

式(7)的q值选取50，根据前述的滤波器设计方法，设计出3、5、7次单调谐滤波器L、C参数如表3所示。

表3 MMC-HVDC样机滤波器L、C参数

4.2 仿真分析

忽略高次谐波，设样机系统注入PCC点电流最大次数为31，基波电流次数为1。换流变压器阀侧接和未接滤波装置时，PCC点A相单次谐波电流畸变率、总谐波电流畸变率(THD)、三相电流波形分别对比如下：

图7(a)、(b)1～31为电流的次数，为了具体看清楚谐波消除情况，以5次谐波为例，图7(a)横坐标下面的[5]10.2208表示未接入滤波器时5次的谐波含量为10.2208%。图7(b)可以看出，接入滤波器后，第5次谐波含量为3.1012%。由图7可以得出结论：接滤波装置后，PCC点单次谐波电流畸变率以及总谐波电流畸变率相对未接滤波装置大大减少，均在表1所规定的PCC点谐波电流限值以内，从而验证了本文设计的MMC-HVDC样机滤波装置方法的正确性。

接滤波装置后的PCC点三相电流波形相对未接滤波装置时的波形有所改善，但波形不是很光滑，仍存在一定的毛刺，这和总电流谐波畸变率较高有关。

(a) 未接滤波装置的单次谐波电流

(b) 接滤波装置的单次谐波电流

(e) 未接滤波装置的三相电流

(f) 接滤波装置的三相电流

总谐波电流畸变率较高的原因为：①在滤波器设计时，为了尽量的节省滤波器成本，设定流过PCC点的谐波电流为表2规定的谐波电流限值，从而使流过滤波器的谐波电流为最小；②式(7)的品质因数q越大，滤波效果越好，但对频率的偏移也更为敏感，为了克服这一缺点，在滤波器设计时，有意地降低了品质因数的值。③样机MMC子模块数较少，从而导致很多低次谐波电流的含量较高。

进一步改善波形质量的方法：①改变换流器调制方式，如采用PWM调制方式；②增加样机MMC子模块数；③增大阀电抗器。

5 结论

(1)为了抑制低电平MMC-HVDC样机对公共电网产生的谐波污染，根据MMC的拓扑结构和调制策略，在换流变压器阀侧设计了与低电平MMC-HVDC样机配套的滤波装置，仿真结果表明在该滤波装置作用下，注入PCC点的谐波电流含量能满足现有电能质量标准条例要求。

(2)在研究MMC拓扑结构基础上，作出了MMC等值电路，并将MMC看成一个有多种谐波的谐波电压源，从而设计出MMC交流侧谐波计算的等效电路，据此，可结合电能质量标准条例规定的PCC点谐波电流的限值以及NLM策略下MMC出口处谐波电压的表达式来求解流过滤波支路的谐波电流。

(3)从交流侧整体来看，MMC是一个谐波电压源，但是从等效电抗 入口来看，MMC和等效电抗器整体可看作谐波电流源。

(4)柔性直流输电系统不需要滤波器无功功率补偿，因此MMC-HVDC样机滤波电容器的安装容量可按照最小容量来设计。

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DesignofFilteringDeviceforLowLevelPrototypeofMMC-HVDC

WANG Wei-an1，2， GUI Wei-hua1

(1.College of Information Science and Engineering ,Central South University, Changsha 410083, China； 2.CSR Research Institute of Electricity Technology & Materials Engineering, Zhuzhou 412001, China)

In order to ensure the harmonic of common electric network injected by low level prototype of modular multilevel converter high voltage direct current (MMC-HVDC) could accord with existing electric power quality standard regulations, it is necessary to design filtering devices for the prototype. According to the topology structure of MMC, an equivalent circuit was deduced, and regarding MMC as one harmonic source containing multiform harmonics, the equivalent circuit which could calculate the harmonic at AC side of MMC was obtained. Based on above, and combined with modulation strategy of MMC-HVDC, the filters for the prototype were designed. Simulation results show the method to design the filtering devices is correct.

smart grid； power quality； high voltage direct current(HVDC)； modular multilevel converter(MMC)； modulation strategy； filtering device; low level

2011-07-26；

2011-09-02

TM721

A

1003-8930(2011)06-0135-06

王卫安(1975-)，男，博士研究生，高级工程师，研究方向为谐波抑制和无功补偿、大功率电力电子应用技术。Email:wangwa@teg.cn 桂卫华(1950-)，男，教授，博士生导师，研究方向为大系统理论、最优控制与应用等。Email:gwh@mail.csu.edu.cn