基于PSCAD的模块化多电平换流器仿真研究

谭邵卿，卢思翰

（1.山东大学电气工程学院，济南250001；2.东北大学信息科学与工程学院，沈阳110819）

基于PSCAD的模块化多电平换流器仿真研究

谭邵卿1，卢思翰2

（1.山东大学电气工程学院，济南250001；2.东北大学信息科学与工程学院，沈阳110819）

作为新一代直流输电技术，基于电压源换流器（VSC）的柔性直流输电（VSC－HVDC）发展前景广阔，特别是模块多电平换流器（MMC），将日趋成熟并广泛应用到输电领域。主要研究模块化多电平换流器系统的主电路参数设计、控制方法和仿真建模方法。在EMTDC／PSCAD平台上，搭建两端模块化多电平换流器直流输电（MMC－HVDC）的详细仿真模型，通过对模型在额定状态和功率波动状态下的运行结果进行分析，验证了仿真模型的有效性。

柔性直流输电；模块化多电平换流器；换流器建模

0 引言

随着VSC-HVDC技术的不断发展，如何提高VSC-HVDC系统的容量和电压等级成为研究重点之一，MMC作为换流器的一种新型拓扑，在提高系统容量和电压等级问题上有其独特优势［1］，引起了国内外学者的重视，使MMC研究取得了一定的成果。

硬件优化和数学建模方面，文献［2］推导出了换流器同一相单元上、下桥臂的电感非公共端的电位相等，为MMC换流器的分析提供依据；文献［3］对换流器的电容设计进行了优化。调制方式与控制方面，文献［4］讨论了最近电平逼近调制（NLM）应用于MMC的可行性；文献［5］在MMC传统双环控制的基础上，通过设置动态电流限幅环节，并采用混合调制策略，改善了换流器交流的侧的波形，并提高了系统的动态性能。

针对MMC-HVDC的仿真技术展开研究，研究MMC换流器的基本原理、控制方法，根据系统的运行计算并设计出系统的主电路参数，基本单元的控制器的设计，在EMTDC/PSCAD平台上搭建了MMC-HVDC的仿真模型，并在不同工况下验证仿真系统的有效性。

1 主电路参数设计

主电路参数是MMC-HVDC系统设计的重要组成部分，研究两端MMC-HVDC系统建模与仿真，首先需要准确设计系统的主电路参数，主要包括系统阻抗、换流变压器、桥臂电抗、子模块直流电容等参数。

1.1 系统阻抗

一般情况下，计算系统的等效阻抗为

式中：Xs为系统等效阻抗；Uk为短路电压；Sk为出口短路器的短路容量，为

式中：UC为短路时断路器的工作电压，一般可认为UC=Uk；IC为断路器的额定开断电流。

本文中交流系统额定电压取110 kV。一般情况下，短路电压可取额定电压的1.05倍，忽略系统电阻。

1.2 换流变压器

换流变压器的容量取换流器容量的倍，阀侧电压大致可取Udc／2的倍，换流变压器的绕组连接方式采用网侧星型接地，阀侧星型不接地或三角形联结［6］。

换流变压器的短路阻抗一般要满足换流阀的浪涌电流水平、换流器消耗的无功功率以及换流站费用3个方面的要求。本文取其经验值。

1.3 子模块直流电容

图1为MMC换流器的单相等效电路［7］。

图1 MMC换流器的单相等效电路

令uvj为换流器交流侧第j相的内部电动势，Udc为换流器直流侧的直流电压，定义换流器的输出电压调制比k为

令Iv为换流器交流侧输出的线电流峰值，Idc为换流器直流侧电流，定义输出电流调制比m为

以a相为例，即令j=a，根据图1容易得到

根据对称，上桥臂和下桥臂各承担一半交流电流，所以上、下桥臂的电流为

由于上、下桥臂互补对称，不难得到

根据式（5）～（8）可得到C0为［8］

式中：Ps为换流器视在功率；N为单个桥臂子模块数；UC为电容额定电压；ε为电容上电压的波动百分比。

一般，根据式（9）可计算得到直流电容的初始值，还需要根据仿真运行结果进行适量的调整。

1.4 桥臂电抗

MMC换流器的桥臂电流中除了基波分量外，还存在二倍频的环流，在确定直流电容的过程中未考虑环流的存在，所以对式（5）和（7）进行修正得［7］

式中：Ukm为二倍频环流电压的峰值，根据对称，假设其在上桥臂和下桥臂中平分。根据式（10）和（11）即可推出桥臂电抗为

式中：Ikm为二倍频环流峰值。

2 控制器设计

2.1 换流器数学模型

根据基尔霍夫电压定律，可以得到abc坐标系下换流器的时域数学模型

式中：usg（g=a，b，c）为交流系统相电压瞬时值；ucg为换流器端相电压瞬时值；ig为流入换流器的相电流瞬时值；L和R分别为交流侧总电感和交流侧总电阻。

将式（13）进行整理可得

式（14）的特点是直观清晰，但是由于电压和电流都为时域量，随时间的变化会变化，不便于控制系统设计。因此，可以通过派克变换将abc坐标系中的时域量变换为dq0坐标系中的直流量，从而可以方便控制系统的设计。将式（14）进行派克变换可得［9］

这样就可以根据式（15）得到换流器在dq0坐标系下的数学模型，结构如图2所示。从图中可以看出，通过调节换流器的输出电压ucd和ucq就可以控制换流器的一次侧电流id和iq，从而实现对有功功率和无功功率的控制。

图2 电压源型换流器暂态模型框图

2.2 内环电流控制器

内环电流控制器作用主要是通过调节换流器的输出电压ucd和ucq，使id和iq跟其参考值idref和iqref。从图2中不难看出，id和iq之间存在相互耦合，给控制带来了不利，在设计控制器时应考虑对id和iq的解耦，因此，进行式（16）所示的解耦变换［10］

将式（16）代入式（15）可得

从式（17）可看出已经实现了id和iq的解耦。因此，式（16）可以实现内环电流控制器的解耦设计，内环电流控制器结构如图3所示。

图3 内环电流控制器

3 算例与分析

3.1 仿真参数

在PSCAD仿真平台上，对如图4所示的两端MMC-HVDC的系统进行仿真，其中，VSC1端为送端，采用有功功率控制和无功功率控制，VSC2端为受端，采用直流电压控制和无功功率控制。调制方式采用SPWM方式，调制频率为1 350 Hz。

图4 两端MMC-HVDC系统拓扑结构

系统各仿真参数根据第一节内容进行计算，具体的系统仿真参数如表1所示。

表1 两端MMC-HVDC系统仿真参数

对换流器VSC1和换流器VSC2的控制参数如表2所示，规定有功功率和无功功率都以注入换流器方向为正方向，换流器VSC1和换流器VSC2额定运行时，均向各自的交流系统发出60 Mvar的无功功率。

表2 两端MMC-HVDC控制参数

3.2 仿真结果与分析

为了验证该模型的有效性，分别在额定状态和功率波动状态下对该模型的仿真结果进行分析验证。

3.2.1 额定状态

额定状态下，验证仿真模型的有效性，换流器控制参数采用表2中的额定控制参数，系统额定运行时的稳态仿真结果如表3所示。

表3 两端MMC-HVDC系统稳态额定仿真结果

通过表3可看出，各控制参数均达到了满意的控制结果。由于直流线路阻抗上的压降，VSC1侧的直流电压比VSC2侧稍高；由于线路损耗以及换流器损耗，传输到VSC2侧的有功功率比VSC1侧稍低，符合实际情况，从而验证了该仿真模型的有效性。

3.2.2 功率波动状态

当功率发生波动时，验证仿真模型的有效性。假设在0.7 s时，系统发生功率波动，VSC1侧发出的有功功率下降20 MW，VSC1下降10 Mvar。

功率波动时PSCAD仿真曲线如图5～图7所示，从图中可以看出当功率发生波动时，各控制参数能够实现快速跟随，从而验证了该仿真模型的有效性。

图5 VSC1侧有功功率

图6 VSC2侧有功功率

图7 VSC1侧无功功率

4 结语

对MMC换流器进行了仿真研究，根据系统运行设计了MMC-HVDC系统的主电路参数设计，研究了MMC的控制方法。在EMTDC／PSCAD平台上搭建了两端MMC-HVDC仿真模型，通过额定状态和功率波动状态下的仿真分析，验证了该模型的有效性。

［1］马为民，吴方劼，杨一鸣，等.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析［J］.高电压技术，2014，40（8）：2 429-2 439.

［2］屠卿瑞，徐政，管敏渊，等.模块化多电平换流器环流抑制控制器设计［J］.电力系统自动化，2010，34（18）：57-61.

［3］王姗姗，周孝信，汤广福，等.模块化多电平HVDC输电系统子模块电容值的选取和计算［J］.电网技术，2011，35（1）：26-32.

［4］管敏渊，徐政，屠卿瑞，等.模块化多电平换流器型直流输电的调制策略［J］.电力系统自动化，2010，34（2）：48-52.

［5］何大清，蔡旭.模块化多电平变流器的限幅控制和混合调制［J］.电力自动化设备，2012，32（4）：63-66.

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［8］TU Qingrui，XU Zheng，XU Lie.Reduced switching－frequency modulationandcirculatingcurrentsuppressionformodular multilevelconverters［C］／／TransmissionandDistribution Conference and Exposition（T＆D），2012 IEEE PES，Orlando，FL，2012.

［9］陈谦，唐国庆，胡铭.采用dq0坐标的VSC-HVDC稳态模型与控制器设计［J］.电力系统自动化，2004，28（16）：61－66.

［10］周明霞.VSC-HVDC控制策略及仿真研究［D］.北京：华北电力大学，2009.

Simulation of Modular Multilevel Converter Based on PSCAD

TAN Shaoqing1，LU Sihan2
（1.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250001，China；2.School of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

As a new generation of HVDC（High Voltage Direct Current），VSC－HVDC（Voltage Source Converter based HVDC）has become promising HVDC，MMC（Modular Multilevel Converter）in particular,will be more and more mature and widely used in transmission areas.In this paper,the content of MMC－HVDC is mainly studied,including design of main circuit parameters，control method and simulation modeling.Two－terminal MMC－HVDC detailed model is constructed on PSCAD／EMTDC.The analysis of simulation results and power fluctuation show that the constructed model is valid.

VSC－HVDC；modular multilevel converter（MMC）；converter modeling

TM46

A

1007－9904（2016）11－0035－04

2016-10-25

谭邵卿（1995），男，研究方向为电气工程自动化。