MMC-HVDC的环流抑制和并网控制策略

吉 宇 郑建勇 梅 军 杜晓舟 马 天

(东南大学电气工程学院, 南京 210096)

MMC-HVDC的环流抑制和并网控制策略

吉 宇 郑建勇 梅 军 杜晓舟 马 天

(东南大学电气工程学院, 南京 210096)

为了使得柔性直流输电MMC-HVDC更加稳定地接入电网,并且有效地抑制其桥臂环流,提出了一种改进型的控制策略．首先,实时监测上、下桥臂电流以及子模块电容电压;通过计算得到环流抑制分量以及子模块电容电压平衡分量,将两者叠加到MMC的调制波中,从而有效地抑制桥臂二次环流分量,同时也降低了系统的开关损耗．然后，利用并网控制策略,独立地控制系统的整流侧和逆变侧的电力潮流,保证直流母线电压在负荷改变时保持恒定,实现了子模块电容电压的动态平衡.最后，搭建MMC-HVDC系统的仿真模型,仿真结果表明,桥臂环流被有效地抑制,直流母线电压保持恒定．同时,搭建了五电平实验样机,实验结果也有效地证明了控制策略的正确性．

柔性直流输电系统;模块化多电平变换器;电压平衡控制;二次谐波环流抑制

近年来,随着交流输电输送容量的增大、线路距离的增长以及交流电网的日益复杂化,电力系统中短路电流的限制、调压等问题逐渐突出．为了提高交流电网的稳定性与输送容量,常需要花费很大的投资．而直流输电技术具有交流输电无法取代的优点．

MMC-HVDC是一种新型的柔性直流输电技术,属于VSC-HVDC范畴．与级联H桥变换器相比,MMC保留了高度模块化的结构特点,同时又具有高压直流母线,能够实现输出电压、输出电流的四象限运行．与传统的二、三电平变换器相比,MMC不存在开关管串联并联的均压、均流问题．MMC的每个子模块结构相对简单,控制容易,可以无限扩展,特别适用于HVDC领域[1-4]．

MMC-HVDC调制策略是决定其性能的关键,将直接影响MMC各个子模块电容的充放电以及母线电压波动．目前针对MMC的调制策略主要包括载波移相、载波层叠、最近电平逼近、空间矢量等．其中适用于MMC-HVDC系统的调制策略主要有最近电平逼近调制(NLM)和载波移相调制(CPS-SPWM)．这2种调制策略各有优势,前者需要通过对子模块电容电压进行排序,选择性地投入子模块来实现子模块电容电压平衡,适用于电平数多、电压等级高的场合．后者控制则相对简单,每个子模块投入/切除概率几乎相等,易于实现子模块电容电压平衡．另外,在相同电平数时采用载波移相调制得到的网侧输出电压THD较低,其在中、低压场合中应用较多[3-7]．

MMC的桥臂环流会叠加到各相的上、下桥臂中,一方面提高了功率开关器件额定电流容量,增大了系统成本;另一方面增加了损耗,并使功率开关管发热严重,甚至烧毁,影响装置的使用寿命．因此,抑制MMC桥臂环流也是业内的研究重点．

文献[8-9]针对MMC提出了最近电平逼近调制方法,其核心思想是通过对电容电压的大小进行排序,根据电流方向决定子模块投入顺序,方法简单实用,但存在需要对电容电压进行频繁排序等问题．文献[10]尝试将空间矢量PWM运用在MMC的调制中,但随着电平数的增加,空间矢量选择变得极其复杂,很难适用于5电平以上．文献[11]描述了一种适用于MMC的环流抑制控制器,增加了负坐标变换和解耦环节,运算量较大．

MMC-HVDC运行中需要保证直流母线电压的恒定和两侧变换器中子模块电容电压的平衡．当逆变侧负荷波动时,整流侧提供的有功功率需要相应地增大/减小．本文针对MMC-HVDC进行深入研究,提出了MMC-HVDC系统子模块电容电压平衡、桥臂环流抑制和并网控制策略．

1 MMC的拓扑结构和工作原理

MMC变换器是MMC-HVDC的核心部件,起到整流/逆变作用,使得能量在直流母线中传输,其拓扑结构和子模块拓扑见图1．

图1为n+1电平三相MMC的拓扑结构以及子模块结构,它由6个桥臂构成．其中,每一个桥臂都由n个子模块和电抗器L串联构成,电抗器L起到限流作用,上、下2个桥臂构成了MMC的一相．MMC子模块是一个半桥结构,包括2个IGBT和1个直流储能电容．根据电流iSM(t)的方向以及开关S1和S2的状态,子模块可以工作在充电、放电、旁路3种状态[5-6]．

图1 MMC以及子模块拓扑

2 MMC-HVDC的控制技术

2.1 载波移相调制和子模块电容电压均衡策略

系统直流侧母线电压是由各个子模块直流侧电容来支撑的．一般而言,为保证直流母线的稳定,MMC系统采用n+1电平调制,即在每一时刻每相中有n个子模块投入,而另外n个子模块处在切除状态,每个子模块的电容电压维持在直流母线电压的1/n,即Udc/n．

基于MMC-HVDC的载波移相调制原理如图2所示．

图2 载波移相调制

当MMC-HVDC出现不对称运行故障,即某一个子模块电压偏离Udc/n很多时,则需要对其进行更正,使电容电压较小的子模块少放电、多充电,而电容电压较大的子模块多放电、少充电．采用的控制策略是在j相的子模块m原来的调制波上叠加分量Δuj，m(t),具体控制策略见图3．

图3 子模块电容电压均压控制策略

如图3所示,实时监测桥臂电流,若iqb(t)≥0,则该桥臂处在充电状态,令im=1．若此时该桥臂上的子模块m电容电压uSMm(t)0,应使得原来的调制波变大,这样可以增加该子模块导通的机会,即多充电．同理,若此时该桥臂上的子模块m电容电压uSMm(t)≥Udc/n,则Δuj,m(t)≤0,应使得原来的调制波变小,这样可以减少该子模块导通的机会,即少充电．当桥臂处在放电状态iqb(t)<0时,令im=-1,也可以通过电容电压大的子模块多放电,电容电压小的子模块少放电．几个周期后,原来失衡的子模块电容电压趋于平衡,系统回归对称运行．

2.2 桥臂环流抑制策略

MMC-HVDC系统的瞬时能量存储于悬浮的独立直流电容中,任意时刻各相桥臂均有一半的功率单元串联接入公共直流母线,实现对应直流电容的充放电,从而实现交流侧(或输入侧)与公共直流侧(或输出侧)之间的能量交换和传递,其载体则为环流．MMC-HVDC系统两端变换器桥臂环流中的主要分量是二倍频的环流分量,它将增加桥臂电流的有效值,从而增大了损耗,同时也带来了不平衡和扰动．

以a相为例,桥臂二次环流iza(t)同时经过该相的上、下桥臂,在上、下2个桥臂电感L上都产生了压降uzaL(t),忽略iza(t)的高频分量,则有

(1)

式中,iap(t),ian(t)分别为上、下桥臂电流；uapL(t),uanL(t)分别为a相上、下桥臂电感电压;Idc/3为桥臂环流中的直流分量．

抑制二次环流的基本思路是对环流二次分量产生的压降进行补偿,具体策略见图4．

图4 桥臂二次环流抑制策略

如图4所示,首先求出上、下桥臂电感电压的平均值,然后进行低通滤波,把超过100 Hz(二倍频)的高频分量滤掉,得到需要叠加在调制波中的环流修正量Δuah(t)．

这种抑制策略控制比较简单,鲁棒性强,在工程实际中具有很强的优势．

2.3 MMC-HVDC并网控制策略

MMC-HVDC并网控制策略主要分为整流侧控制策略和逆变侧控制策略．其中,整流侧采用直流母线电压外环控制和电流内环控制,逆变侧则采用功率外环控制和电流内环控制．内环电流控制是通过调节MMC变换器的输出电压,使得d轴和q轴分量id,iq快速跟踪其指令指值Id-ref,Iq-ref,其具体的并网控制策略见图5．

(a) 整流侧

(b) 逆变侧

如图5所示,逆变侧MMC控制变换器使得输出的有功功率、无功功率和指令值相同,而整流侧MMC变换器则要保证直流母线电压的恒定,这是MMC-HVDC系统稳定的基本前提．MMC的整流侧、逆变侧的调制波都叠加了2个分量,有效地抑制了桥臂环流,实现子模块电容电压平衡．

3 仿真波形与分析

在Matlab/Simulink中搭建MMC-HVDC仿真模型,两端交流电网采用理想电压源和感性阻抗来模拟,仿真参数见表1,具体仿真结果见图6．

图6(a)为MMC内逆变侧输出相电压仿真波形,由于逆变侧在0～0.1s时发出感性无功功率，而在0.1～0.5s时吸收感性无功功率，故其逆变侧输出电压基波模值在0.1s前后由小变大.

表1 仿真参数

图6(b)为整流侧MMC的有功功率仿真波形,逆变侧交流电网吸收的有功功率在0.1 s时从1 080 MW阶跃增长到1 620 MW．为了维持直流母线电压的恒定,整流侧交流电网发出的有功功率在0.2 s内增加到1 620 MW左右,其网侧输出电流必然也相应增加．图6(c)为MMC-HVDC直流母线电压,可见在整个过程中,直流母线电压稳定在400 kV．图6(d)为整流侧MMC子模块电容电压,可见子模块电容电压在20 kV左右波动,十分稳定．图6(e)为三相环流抑制波形,逆变侧MMC

(b) 整流侧MMC的有功功率波形

(c) 直流母线波形

(d) 整流侧MMC子模块电容电压波形

(e) 逆变侧MMC的环流抑制前后输出电流波形

在0.2 s时加入环流抑制器,三相的桥臂环流在0.2 s内都有效地抑制了其二次分量,留下了直流分量1.355 A,故直流母线对逆变侧MMC提供的有功功率P=Udc(Iadc+Ibdc+Icdc)=1 626 MW.可见，直流母线对逆变侧MMC提供的有功功率和逆变侧交流电网有功功率几乎相等．另外加上环流抑制器后,环流的波动明显降低,减少了不必要的线路损耗,具有工程实践意义．

4 实验结果

设计以dspace1103为控制核心的三相五电平MMC并网系统,样机通过升压变压器并网,其参数见表2,具体实验结果如图7所示．

(a) 输出电压、上下桥臂电流、输出电流

(b) 上、下桥臂电流和桥臂环流

(c) 输出电压和桥臂环流

(d) 环流抑制前桥臂环流频谱分析

(e) 环流抑制后桥臂环流频谱分析

表2 实验样机参数

图7(a)为稳态时MMC输出电压、上桥臂电流、下桥臂电流和输出电流,可见输出电压为五电平,输出电流很好地跟踪了输出电压,两者保持同相位．图7(b)为稳态时上、下桥臂电流和环流波形,可见MMC环流主要集中在二倍频(100 Hz)．图7(c)为加上环流抑制控制器前后环流的变化波形,可见该控制器有效地抑制了环流的二次分量．图7(d)、(e)为环流抑制前、后桥臂环流频谱分析,可见加入环流抑制器后抑制了二次环流,保留了直流分量,但也带来了一些高次谐波分量．

5 结语

本文针对MMC-HVDC两端变换器的并网控制策略、桥臂二次环流抑制策略、子模块电容电压平衡策略进行了深入地研究．搭建Matlab/Simulink仿真平台和单相五电平实验样机,仿真和实验结果证明该策略具有很好的控制性能,具有工程实践价值．

References)

[1]王奎,郑泽东,李永东.基于新型模块化多电平变换器五电平PWM整流器[J].电工技术学报,2011,26(5):34-38. Wang Kui, Zheng Zedong, Li Yongdong. A five-level pwm rectifier based on new modular multilevel converter [J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety, 2011, 26(5):34-38. (in Chinese)

[2]雷鸣,李耀华,葛琼璇,等.一种新型单桥臂电感模块化多电平变流器及其控制方法[J].电工技术学报,2014,29(2):231-238. Lei Ming, Li Yaohua, Ge Qiongxuan, et al. A new modular multilevel converter with single arm inductor and its control strategies [J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety, 2014, 29(2):231-238. (in Chinese)

[3]Saad H, Peralta J, Dennetiere S, et al. Dynamic averaged and simplified models for mmc-based hvdc transmission systems[J].IEEETransactionsonPowerDelivery, 2013, 28(3): 1723-1730.

[4]屠卿瑞,徐政,姚为正.模块化多电平换流器型直流输电电平数选择研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(20):33-44. Tu Qingrui, Xu Zheng, Yao Weizheng. Selecting number of voltage levels for modular multilevel converter based hvdc[J].PowerSystemProtectionandControl, 2010, 38(20):33-44. (in Chinese)

[5]Guan Minyuan, Xu Zheng. Modeling and control of a modular multilevel converter-based HVDC system under unbalanced grid conditions [J].IEEETransactionsonPowerElectronics, 2012, 27(12): 4858-4867.

[6]Jun Mei, Xiao Bailu, Shen Ke. Modular multilevel inverter with new modulation method and its application to photovoltaic grid-connected generator [J].IEEETransactionsonPowerElectronics, 2013, 28(11): 5063-5073.

[7]Yang Xiaofeng, Li Jianghong, Wang Xiaopeng, et al.Circulating current model of modular multilevel converter [C]//PowerandEnergyEngineeringConference. Wuhan, China, 2011: 1-6.

[8]管敏渊,徐政.MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制[J].中国电机工程学报,2011,31(12):9-14. Guan Minyuan, Xu Zheng. Optimized capacitor voltage balancing control for modular multilevel converter based VSC-HVDC system [J].ProceedingsoftheCSEE, 2011, 31(12):9-14. (in Chinese)

[9]管敏渊,徐政,潘伟勇,等.最近电平逼近调制的基波谐波特性解析计算[J].高电压技术,2010,36(5):1327-1332. Guan Minyuan, Xu Zheng, Pan Weiyong, et al. Analytical calculation of fundamental wave and harmonic characteristics for nearest level modulation [J].HighVoltageEngineering, 2010, 36(5):1327-1332. (in Chinese)

[10]Du C, Agneholm E, Olsson G. VSC-HVDC system for industrial plants with onsite generators[J].IEEETransactionsonPowerDelivery, 2009, 24(3):1359-1366.

[11]Tu Qingrui, Xu Zheng, Zhang Jing. Circulating current suppressing controller in modular multilevel converter [C]//36thAnnualConferenceonIEEEIndustrialElectronicsSociety. Phoenix, USA: IEEE Industrial Electronics Society, 2010:3198-3202.

Circulation current suppressing and grid-connected strategy of MMC-HVDC

Ji Yu Zheng Jianyong Mei Jun Du Xiaozhou Ma Tian

(School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to deal with the problem of circulation current suppression and grid-connected control for modular multilevel converter-high voltage direct current (MMC-HVDC), an improved control strategy is proposed. First, the arm currents and the sub-module voltages are monitored by real-time. The component of circulation current suppression and the component of sub-module voltage balance are calculated. The circulating current is effectively suppressed by overlaying the two components on the modulation waves. Thus, switching loss of the system is reduced. Secondly, the grid-connected strategy of the MMC-HVDC is adopted, and hence the rectifier and inverter of the system are controlled independently. Therefore, the voltage of the direct current bus is stable when the load is changing. The dynamic balance of the capacitors in the sub-modules is realized. Finally, the simulation model of the MMC-HVDC system is built. The simulation results show that circulating current is suppressed and the bus voltage is stable. Finally, the experimental prototype of 5-level MMC is built, and the correctness of the proposed control strategy is also verified by the test results.

modular multilevel converter-high voltage direct current(MMC-HVDC);modular multilevel converter;voltage balancing control;second harmonic circulation current suppressing

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.017

2014-09-27. 作者简介: 吉宇(1987—)，男，博士生；郑建勇(联系人)，男，博士，教授，博士生导师， jy_zheng@seu.edu.cn.

教育部博导类博士点基金资助项目(20130092110041).

吉宇,郑建勇,梅军,等.MMC-HVDC的环流抑制和并网控制策略[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(2):289-294.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.017

TM46

A

1001-0505(2015)02-0289-06