基于PI控制的MMC—HVDC环流抑制策略

刘英杰　宋吉江　牛轶霞

摘 要：由于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的三相桥臂相当于并联在直流侧，其三相桥臂的电压不可能完全相等，必然在三相桥臂中产生环流，导致桥臂电流波形发生畸变，影响输出波形，增加系统损耗。本文分析了环流产生的机理，研究了MMC的环流抑制策略，并在PSCAD/EMTDC软件中搭建21电平的MMC模型进行仿真，结果表明，环流抑制器不仅仅能够对环流有抑制作用，改善电压波形，而且能够一定程度上降低子模块电压波动大小。

关键词：MMC；电容电压；环流抑制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.110

0 引言

随着社会经济的不断发展与电力电子技术的进步，模块化多电平换流器型高压直流输电（MMC-HVDC）作为新一代的直流输电技术[1]，除了具有传统直流输电的特点之外，还具有不存在换相失败、独立控制有功功率和无功功率、谐波含量低、适合构成多端直流输电系统等优点，可广泛应用在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电和异步交流电网互联等领域[2-3]。但MMC换流器的输出通过子模块电压叠加而成，系统运行时，各个桥臂的电压不可能保持在在一个完全相同的值，使得桥臂不仅含有直流分量，而且存在一定的环流，将会导致桥臂电流发生畸变，影响电容电压的平衡，增加不必要的损耗，因此需要对MMC的环流进行抑制。

1 环流产生的机理

MMC由三个相单元组成，每个相单元由N个级联的子模块（Sub module，SM）和一个电抗器LO串联而成的上下两个桥臂单元构成，SM由两个带反并联二极管的绝缘栅双极晶体管IGBT串联后与一个储能电容器并联组成。

由于MMC换流器的对称结构，以A相为研究对象，将上下桥臂看做一个整体，MMC环流不仅包括直流分量，而且还包括二倍频的交流分量，MMC中三相环流按照a-c-b的顺序流动，并且各相环流之和为零[4]，因此，环流只在MMC内部各相之间来回流动，母线电流中不包含二倍频分量。环流的存在不仅会增加器件功率损耗和系统成本，而且会增大电容电压的波动，因此，环流的抑制非常重要。

2 MMC环流抑制

MMC内部环流主要由直流分量和二倍频交流分量两部分构成，其他高倍频分量虽然存在，但是其幅值较主要组成部分而言小很多，可忽略不计，因此，环流抑制策略主要抑制环流中的二倍频分量，又因二倍频分量具有负序性质且仅在MMC内部各相之间进行流动，故可以用两倍频负序的旋转坐标变换将二倍频环流分解为两个直流量，再使用PI控制器进行控制。

环流抑制控制的基本步骤为：首先将三相上下桥臂电流相加除以2得三相内部电流，其经过坐标变换后得到MMC内部环流的d轴分量和q轴分量，将其与对应dq轴的参考值相比较，这里参考值取零，将其差值经过PI调节器进行调节，环流数学模型中d轴与q轴之间存在耦合，为了消除它们的影响，引入电压前饋分量，最后，将内部不平衡电压降的dq轴参考值经逆变阵后得到负序三相内部不平衡电压降参考值。

3 仿真验证

为了验证电容电压均衡控制的有效性，在PSCAD/EMTD中搭建了21电平的MMC-HVDC系统仿真模型，采用NLM调制技术，仿真在初始时未加入环流抑制，在8s时加入环流抑制，其仿真结果如图1所示。

由图（a）可以看出投入环流抑制控制器后，环流立刻得到抑制，峰值降低，可见环流抑制器可以抑制环流。由图（b）可知在没有加入环流抑制前，MMC桥臂电流发生畸变，采用环流抑制策略之后，电流质量明显提高，更加接近正弦波。由图（c）可以看出采用环流抑制之后，子模块电压的波动也受到影响，其大小明显降低，表明了环流抑制器不仅仅能够对环流有抑制作用，而且能够一定程度上降低子模块电压波动大小。由图（d）可以看出MMC的交流电流在环流抑制之后，几乎没有发生变化，能够验证环流只在MMC内部流动，并不会影响MMC的外部特性，验证了本文环流抑制的有效性。

4 总结

本文根据MMC桥臂电流含有直流分量与二倍频分量的特点，研究了基于PI控制的环流抑制策略，通过仿真，验证了本文所设计的基于准PI控制的环流抑制策略的有效性。仿真结果表明基于PI控制的环流抑制策略能够有效抑制桥臂电流中的二倍频分量，减小桥臂电流畸变，降低子模块电容电压波动，具有较好的环流抑制能力。

参考文献：

[1]汤广福，庞辉，贺之渊.先进交直流输电技术在中国的发展与应用[J].中国电机工程学报，2016，36（07）：1760-1771.

[2]曹乐萌，赵巧娥，高金城，李奕凯.HVDC系统中MMC换流器控制策略研究[J].智慧电力，2017，45（10）：31-36.

[3]胡航海，李敬如，杨卫红，李红军.柔性直流输电技术的发展与展望[J].电力建设，2011（05）：62-66.

[4]周月宾，江道灼，郭捷，梁一桥，胡鹏飞.模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析[J].中国电机工程学报，2012，32（24）：8-14.