电网不同运行条件下MMC环流抑制技术研究

徐 腾，袁旭峰，陈明洋，袁 勇，黄 倩

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

近年来，模块化多电平换流器(MMC)在柔性高压直流输电领域有着巨大的优势。与传统的两电平换流器和三电平换流器(Voltage Source Converter，VSC)相比，MMC通过子模块(Sub Modular，SM)级联，具有高度模块化结构、输出波形质量好及易余冗余拓展等优点[1-2]。

虽然MMC有众多的优点，但难免存在一些缺点。例如，MMC所用开关器件数量多，损耗也相应的增加；MMC拓扑由许多子模块级联构成，这也导致了控制技术方面的难度加大[3-4]。MMC内部的储能电容分散在每个子模块中，子模块间的电容电压不平衡将导致各相能量分配不均匀，从而换流器内部产生环流，桥臂电压发生畸变[5]。

在对称电网条件下环流为2倍频负序的性质，环流2倍频负序分量对MMC的正常工作毫无益处[6]。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[7]；另一方面增加了功率开关器件的损耗，降低了装置使用寿命[8]。在不对称电网条件下，环流中还将出现2倍频的正序和零序电流，并且零序分量还将流入直流侧导致直流电压、电流产生波动，甚至还会影响到其他换流器的正常运行[9]。

环流的存在影响了MMC的正常运行，国内外已有大量的学者对其进行了相关研究，并提出了很多不同的环流抑制策略。本文将在电网不同运行条件下，对MMC的环流抑制策略进行详细的分类阐述，并分析了每一种环流抑制策略的优缺点。

1 MMC工作原理及环流分析

1.1 MMC拓扑结构及其工作原理

三相模块化多电平换流器(MMC)主电路拓扑结构如图1所示，O点表示零电位参考点。

图1 MMC和子模块拓扑结构图

其拓扑结构与传统VSC有显著区别。MMC的桥臂采用子模块级联方式连接[10]。由图可知，MMC由6个桥臂组成，每个桥臂由一个电抗器和N个子模块串联而成，每一相的上下两个桥臂合在一起称为一个相单元。其中，Usa、Usb、Usc和isa、isb、isc分别为交流侧三相电压、电流，Udc为直流电压，Ls为交流侧电感，Lx为桥臂电感,用来抑制相间直流电压差所引起的相间环流，因此又叫限流电抗器，还具有抑制直流母线发生短路故障时交流冲击电流的作用[11]。虚线框内为子模块拓扑结构。每个子模块由两个反并联二极管的IGBT和一个直流储能电容组成。以图1中a相为例，假设Upa、Una分别为a相上、下桥臂电压，Usa为a相交流输出电压，有：

(1)

由式(1)可得：

Udc=Upa+Una

(2)

由于MMC 3个相单元完全对称，直流电流Idc在3个相单元之间平均分配，每个相单元的直流电流为Idc/3，交流电流isa在a相上下桥臂均分，所以a相上下桥臂电流分别为：

(3)

(4)

1.2 平衡条件下MMC环流机理分析

MMC微分数学模型：

(5)

(6)

式中:j=a、b、c;R0为桥臂等效电阻；uoo′为交流侧电压中性点与直流侧电压中性点之间的电位差。

定义上下桥臂的差模电压为udiffj,上下桥臂的共模电压为ucomj,即

(7)

将式(7)中的两式分别作和、作差并简化后，得

(8)

(9)

式中：

(10)

表示j相的环流(j=a、b、c)。

根据文献[5]可知，MMC内部环流的解析表达式为

(11)

式中:Ir2m为桥臂二倍频环流幅值。

由于Q10(3次及以上的谐波分量)非常小，可忽略不计。因此，三相内部环流icirj可以表达为

(12)

由式(12)可以看出，在对称电网条件下，MMC内部环流只含有2倍频负序分量，它只在MMC桥臂间流动，对交流系统不产生任何影响，也不会影响到直流侧。但是环流的存在会增加子模块系统额外损耗，影响装置使用寿命，因此环流需要抑制在一定的范围内[12-13]；文献[14]通过对环流的分析，指出环流不能完全消除，只能对其抑制。

1.3 不平衡条件下环流机理分析

文献[15]指出，由于交流电网与换流器之间的联结变压器一般采用的是Y/△或△/Y接线方式，这样会阻碍电网不对称情况下产生的零序电流进入换流器，因此，暂不考虑零序分量。文献[16]在电网不对称情况下，对正序网络中MMC的瞬时能量及换流产生机理进行详细的分析和推导，指出正序网络中MMC的环流呈二倍频负序性质，其三相环流表达式为：

(13)

图2 a相等值电路

(14)

(15)

负序网络中MMC的上下桥臂电压和电流可分别表示为：

(16)

(17)

(18)

(19)

根据公式(16)-(19)求得a相总功率为：

(20)

对a相总功率积分，得到a相总能量表达式为：

(21)

式中：P-表示负序网络中系统与换流器的交换功率。

则2N个子模块的电容量为：

(22)

(23)

根据KVL定理，得出三相环流表达式为：

(24)

2 MMC环流抑制技术综述

2.1 电网电压对称时MMC环流抑制策略

通过1.1节对MMC的环流分析可知，当电网电压对称时，MMC的环流呈现出二倍频负序性质。文献[17-18]指出可适当地增大桥臂电感值来抑制环流幅值，但是该策略不能完全抑制环流。相反地，系统损耗和装置体积以及成本都会增大。鉴于此，大量的学者对其进行了相关研究，文献[19-21]对环流的产生机理作了详细的阐述，并针对抑制二倍频环流提出了二倍频负序旋转坐标变换方法，将换流器的三相环流通过坐标变换成两个直流分量，易于控制的实现，提出并设计了相应的控制器，通过仿真验证了该策略对环流起到了良好的抑制作用。控制框图如图3所示。

图3 二倍频负序坐标变换控制器结构框图

但是该方法存在解耦环节及坐标变换，使得延时增大。文献[22-23]提出了准比例谐振控制策略，但是计算复杂。文献[25]在文献[24]的基础上提出了一种基于比例降阶准谐振的环流抑制策略。用二阶广义积分器实现对环流分量的检测并提取；再将三相环流通过克拉克变换成两相静止坐标；最后利用降阶准谐振控制器无静差跟踪环流，以实现对环流的抑制。文献[26]提出了一种基于多谐振控制器的简化环流抑制策略。其方法采用数字低通滤波器(Digital Low Pass Filter,DLPF)获得环流直流分量，在计算出环流偶次谐波分量和，在此基础上还引入了PR控制器实现对偶次谐波分量的无静差控制。文献[27]提出一种基于静止坐标系下采用PR控制器的环流抑制策略，实现对环流特定次谐波的追踪和抑制，对环流的抑制取得良好的效果。但是传统PR控制器自身存在着一些缺点，如抗电网频率偏移能力差，带宽窄等。因此，文献[28]在文献[27]的基础上，提出了一种基于准PR控制器抑制环流的策略，采用的准PR控制器明显地弥补了传统PR控制器的缺点，并有效地抑制环流中的偶次谐波分量，其结构框图如4所示。

图4 基于准PR控制器环流控制框图

文献[29]提出了一种对多次谐波无静差跟踪的重复控制方法，并论证了该方法的有效性。但是该方法的控制结构复杂，在实际应用中不易实现。文献[30]提出了一种基于电压波动估计前馈控制的双闭环二倍频环流抑制策略。该方法用到的前馈控制和反馈控制方法有效地提升了系统的动态响应速度。但是该策略的计算量及控制结构较为复杂。文献[31]基于三相矢量控制方法的基础上，提出了单相矢量控制策略，单独对每一相的二倍频环流进行抑制。

综上所述，分析得出了电网对称条件下各种环流抑制策略的优缺点如表1所示。

表1 电网对称条件下的环流抑制策略

2.2 电网电压不对称时MMC环流抑制策略

2.1节对电网电压对称时MMC的环流抑制策略进行了分析与归纳。当电网电压不对称时，MMC的环流包含了二倍频的正序、负序和零序分量。上文的环流抑制策略不能完全满足电网电压不对称情况下的环流抑制，需要额外增加零序环流抑制，使得系统控制变得复杂。文献[34]在文献[32]的基础上详细地阐述不平衡工况下的环流产生机理，并提出了一种基于双同步旋转坐标变换的环流抑制策略。其基本思路是：将不平衡工况下换流器4个序分量网络化简为正、负序网络，在上下桥臂参考电压中加入一个不会对换流器输出电压产生影响，而对内部环流大小产生影响幅值很小的修正量，从而起到环流抑制并能稳定直流侧电压的效果。该策略控制结构复杂，不易于工程实现。文献[33]提出了一种基于PR控制器的环流抑制策略，以实现对环流分量的无静差跟踪。但是存在带宽窄、频率适应性低等问题。文献[35]推导出了子模块电压波动和环流波动的表达式，指出整个桥臂都贯穿着二倍频正序、负序和零序分量。并提出了一种无需坐标变换的环流抑制策略，其控制策略运用了改进的PR控制器，以解决带宽窄、频率适应性低等问题。但是其计算量大，控制结构复杂。文献[36]提出基于PIR控制器的环流抑制策略，无需坐标变换。采用了4个PIR控制器以实现对正序、负序以及零序分量的抑制。但是该策略控制结构比较复杂。文献[37]提出了一种基于子模块电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制的复合控制策略。该策略具有较高的控制精度以及较快的响应速度。并采用了二倍频谐振控制器和基频谐振控制器以及比例环节共同构成多频率比例谐振控制器，以达到对环流追踪控制的要求。但是该环流控制策略计算量较大，控制较为复杂。文献[38]在文献[36]的基础上提出了一种无需PI控制以及谐振控制的环流抑制策略，能抑制电网电压不对称状态下的正序、负序以及零序环流分量，其环流抑制结构框图如图5所示。

图5 环流抑制结构框图

该策略需要实时计算上下桥臂中的电容电压平均值，使得对精准计算的要求加大。文献[39]在原有三相解耦控制的基础上，增加了对零序分量的抑制器，抑制直流电压的波动。该策略使得控制更加复杂。文献[15]完善了传统环流抑制模型，提出了电网电压不对称工况下的精准环流抑制策略，并设计了如图6所示的环流抑制框图。有效地抑制环流二倍频负序分量及二倍频零序分量。

图6 零序环流抑制器

综上所述，分析得出了电网不对称条件下各种环流抑制策略的优缺点如表2所示。

表2 电网不对称条件下的环流抑制策略

2.3 通用型MMC环流抑制策略

前两节分别分析与归纳了电网电压对称和电网电压不对称时MMC环流抑制策略，都是针对系统特定条件下提出的环流抑制策略。因此大量的学者正在研究电网电压对称和电网电压不对称时均实用的环流抑制策略。文献[40]对系统不同工况情况下的环流产生机理进行详细的分析，指出不论交流电网对称与否，都要抑制环流中除直流分量外的其他各次谐波分量。并提出了一种无需坐标变换及相间解耦，基于PIR控制器的MMC环流抑制策略，并分别在系统不同工况情况下做了仿真实验，验证了所提出的环流抑制策略的可行性。文献[41]通过分析桥臂电流、环流及公共直流母线电流之间的关系，指出公共直流输出、输入功率含有低频脉动，还表明了环流中的可控分量与不可控分量。并提出了一种无需坐标变换及相间解耦的MMC通用型环流抑制策略(Universal Circulating Current Suppressing,UCCS)，其控制框图如图7所示。

图7 UCCS环流控制框图

此方法存在的不足之处在于需要实时计算桥臂环流，加大了计算量。文献[42]提出了复合控制策略，在双坐标系下的PI控制基础上，结合了重复控制器良好的稳态跟踪能力，有效地抑制环流中的各次谐波分量。该策略还引入了dq解耦的零序电流补偿方法，稳定了故障状态下的三相电流平衡。其结构框图如图8所示。

图8 复合控制框图

综上所述，分析得出了适用于不同电网运行条件下的各种环流抑制策略的优缺点如表3所示。

表3 通用型环流抑制策略

3 结论

本文从系统不同运行状态下MMC的环流抑制策略进行详细的分类综述，并分析比较了每一种环流抑制策略的优缺点。MMC的环流抑制一直是柔性直流输电发展的重点研究对象，也是其发展的主要瓶颈之一。在电网电压对称条件下的MMC环流抑制策略已经比较成熟了，未来的MMC环流抑制策略,将会以研究电网电压不对称工况下MMC的环流抑制策略以及通用型环流策略为主。