全桥MMC直流融冰装置设计及仿真

袁 康，吕孝国，田智全，王飞义，朱连成

（1.辽宁科技大学 电子与信息工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.辽宁荣信兴业电力技术有限公司，辽宁 鞍山 114051；3.辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001）

架空输电线路严重覆冰后将导致电线基杆塔倾倒，引发大范围停电事故。2008年，我国南方遭遇的极端冰雪天气致使多地发生供电中断，其直接经济损失多达 150 亿元［1］。此后的 2011 年和2018 年，南方地区再次遭到罕见冰雪恶劣天气侵袭，电网线路受到严重考验。根据焦耳热效应原理，采用调制输电线路电流进行融冰的方法最为环保和高效。交直流电均可用于输电线路融冰，但直流融冰装置所需容量明显更小于交流融冰装置，可应用于各种场合［2］。传统的单一直流融冰装置只工作于冰雪天气，利用率低。同时兼顾电网线路融冰和电力系统无功补偿及谐波抑制等功能为一体的新型电力电子装置更具有工程应用价值。

电力电子技术的高速发展和电力电子器件的推陈出新，使得传统晶闸管型直流融冰装置逐渐被淘汰，而模块化多电平变流器（Modular multilevel converter，MMC）具有模块化结构、电路拓扑冗余性强、易于扩展、调制电压范围广等诸多优点，已广泛应用于各种中高压场合［3］，如高压直流输电（High voltage direct current，HVDC）［4］、静止同步补偿器（Static synchronous compensator，STATCOM）等［5］。MMC 有全桥和半桥两种拓扑结构，与半桥型MMC 相比，全桥型MMC 虽然运用了更多的半导体开关元件，但其输出直流电压范围更广，更适用于直流融冰技术［6］。文献［7］将两个MMC 变流器中性点相连，组成一个三相六桥臂的三相桥式电路，通过调制控制，使两个变流器中性点产生电压差，达到直流融冰的目的。该方案可独立实现直流融冰和无功补偿的功能，控制策略简单，谐波污染小，但未考虑MMC 的环流抑制问题。文献［8］针对MMC 子模块电压波动大导致环流的问题，分析MMC 桥臂子模块电压波动和环流的关系，提出一种简单的环流抑制方案，仿真结果证明了其有效性。

本文提出一种全桥MMC 型直流融冰装置的综合设计方案，系统可对有功功率与无功功率进行解耦控制，以实现融冰直流电压和交流无功功率的连续调节，既具有融冰能力，又能补偿2~17次以下的谐波。采用RTLAB 控制系统实时仿真验证全桥MMC拓扑、环流抑制器设计及融冰与谐波补偿控制策略的正确性和有效性，为直流融冰装置性能测试与实验研究提供基础。

1 全桥MMC直流融冰工作原理

1.1 电路拓扑结构

全桥MMC 型直流融冰系统电路拓扑如图1所示。系统额定交流输入电压35 kV，额定容量60.5 MVA，直流侧额定电压16.8 kV，额定直流电流3.6 kA。PT 为交流电网电压检测互感器。MMC1、MMC2为变流器，采用三相六桥臂构成的三相桥式电路，共312 个全桥功率单元子模块。upa、upb、upc、ipa、ipb、ipc和una、unb、unc、ina、inb、inc分别为各相上、下桥臂的等效压降和电流，Rm、Lm为直流融冰装置连接电抗器的等效电阻和电感，DC+、DC-分别为直流融冰线路的直流侧电源正负极，Vdc+、Vdc-分别为直流侧电压检测，Idc+、Idc-分别为直流侧电流检测，RLine为系统待融冰的某相线路。ia_MMC、ib_MMC、ic_MMC为系统交流侧三相电流，iLoop_a、iLoop_b、iLoop_c为系统MMC桥臂环流。

图1 全桥MMC型直流融冰装置电路拓扑Fig.1 Topological graph of full bridge MMC DC ice melting device

每个功率单元的H 桥电路拓扑结构如图2 所示［9］。每个H 桥子模块均包含 4 个 IGBT（绝缘栅双极型晶体、管）功率器件及其反并联二极管（VT1，VT2，VT3，VT4），C为直流侧电容，R为直流均压电阻。

图2 H桥模块结构图Fig.2 Structure of H bridge module

1.2 全桥MMC的数学模型

对于融冰装置电路拓扑，根据基尔霍夫电压和电流定律可得

式中：j代表A、B、C 三相；p和n分别表示上、下桥臂；usj、ij_MMC分别表示电网电压、电流；upj、unj和ipj、inj分别为上、下桥臂的电压、电流；Rm为MMC连接电抗器的等效电阻；Vdc为MMC直流侧电压。

1.3 工作原理

当全桥MMC 型直流融冰装置工作于直流融冰模式时，控制器调制MMC1 中性点电压为Vdc/2，MMC2中性点电压为-Vdc/2，在待融冰的架空线路中产生直流电压差Udc，设定RLine为待融冰架空线路的等效电阻，则融冰电流Idc=Vdc/RLine。当待融冰架空线路较短时，其等效电阻RLine也小，此时直流融冰电源输出的直流电压Vdc也需要调低；当待融冰架空线路较长时，其RLine也增大，Vdc也需要调高。考虑到融冰装置通常需要对多个输电线路进行融冰，而各个输电线路长度不尽相同，所以直流融冰装置的直流侧电压需具备较宽的调制范围［10］。

2 系统控制策略

2.1 环流抑制器的设计

环流问题是所有MMC 变流器都存在的共性问题。MMC中环流只会在各相之间来回流动，并且各相环流之和为0。但环流的存在会增加器件的功率损耗，使桥臂电流产生畸变［11］，需要设计合理的控制策略抑制环流的生成。

理想条件下，以A 相为例，MMC 交流侧基波输出电压、电流为

式中：Usa、Isa为交流侧电网电压、电流的幅值；φ为电流的初相角。

上、下桥臂的电压、电流表达式分别为

式中：Idc为MMC 直流侧电流；k为电压调制比，m为电流调制比，

由式（6）~式（9）得到流经a相上、下桥臂的瞬时功率为

忽略MMC内部有功损耗，由功率守恒定律得

则由式（12）得kmcosφ=2。对式（10）和式（11）积分，并忽略直流分量，则二者相加可得A相交流瞬时视在功率为

其中，Ss为MMC的视在功率，各桥臂稳态直流储能分量为

式中：n为各桥臂子模块的数量；UC为子模块中电容的电压。

MMC 的环流中包含直流分量和二倍频的交流分量，其表达式为

其中，I2f为二倍频交流分量的幅值。MMC内部的环流主要由直流分量和二倍频交流分量组成。将二倍频交流分量转化为dq轴旋转坐标系下的直流分量，以便于PI控制器的设计［12］。

环流抑制器结构如图3 所示。其中，iL_d，iL_q为三相环流iLoop_a，iLoop_b，iLoop_c在两相旋转坐标系下的dq轴分量；Mza，Mzb，Mzc为环流抑制器的输出预调制电压，最终将输入SPWM 得到三相六桥臂各MMC子模块中的IGBT驱动控制信号。

图3 环流抑制器的设计Fig.3 Design of loop current suppressor

2.2 直流融冰控制策略设计

直流融冰控制系统主要包含三部分［13］：第一部分为所有MMC模块直流电压的平均值控制，如图4所示；第二部分为融冰电流和各相间直流电压的均衡控制，如图5 所示；第三部分为各相内单个子模块直流电压的控制，如图6所示。三部分的综合控制能保证各个子模块直流电压都能达到设定值，避免直流侧电压不均产生过电流而损坏装置。

图4 所有子模块直流侧电压平均值控制Fig.4 Control of average DC voltage of all sub-modules

图5 融冰电流与各相的直流电压均衡控制Fig.5 Balancing control of ice melting current and DC voltage of each phase

图6 单个子模块的均压控制Fig.6 Voltage balance control of individual sub-module

在图4 中，Udc_ave为所有子模块直流侧电压的均值，Udc_r为直流侧电容电压的参考值，Usd、Usq为电网电压在dq轴分量，Id、Iq为电网电流在dq轴分量，Iqr为基波电流q轴分量的给定值，其值根据需向电网输送的无功功率获取。无功电流的参考值由电网无功功率的调度计算得到。一般情况下，无功电流设定为0，以保证电网电流具有较高的功率因数。基波电流控制环同样采用PI 控制，直流侧电压外环PI 输出作为有功电流内环指令参考值，实现有功功率调节；无功电流内环参考值由电网所需的无功功率获取；直流电流控制器通过对线路电流采样，采用PI 控制器实现对直流电流的无静差控制。可见，MMC指令电压信号是直流电压环、基波电流环、直流电流环、环流抑制器器等输出的叠加，最后在静止坐标系经由SPWM控制MMC1~MMC2子模块中各IGBT的开通和关断。

在图5 中，Udcj_ave(j=a,b,c)为各相子模块的直流侧电压的平均值。以直流融冰电流参考值的1/3作为每相直流电流的参考值，既能实现各相变流器的均衡输出，又能保证直流侧融冰电流达到设定值。

在图6中，Udcjn为各相内每个子模块的直流侧电压，inj为流经各个子模块的电流，Sgn(x)为符号判断环节。单个子模块的直流侧电压均衡控制策略采用有功矢量叠加方法，根据电容的充、放电状态，叠加一个与电流方向相同的有功矢量：当直流侧电压偏高时，叠加一个反向的有功功率，加速电容的放电；当直流侧电容电压偏低时，叠加一个正向的有功功率，加速电容的充电，以此保证所有子模块的直流侧电压达到设定值。

2.3 谐波补偿模式

在实际运行中，电网电能的质量往往会对融冰装置产生一些影响，特别是当电网中含有高次谐波时，融冰装置可能会因过电流保护误动作而退出运行，这将严重影响设备的运行稳定性［5］。

本文在全桥型MMC 直流融冰装置中增设谐波补偿控制方案，控制框图详见图7。谐波补偿采用多同步旋转坐标系下谐波补偿算法，谐波电流检测和控制在谐波旋转坐标下实现，谐波电流通过相应的谐波旋转坐标变换转换成直流量，通过低通滤波器提取直流量，并采用PI 控制器实现对指定次谐波电流的无静差控制［14］。

图7 谐波补偿模式控制框图Fig.7 Control diagram of harmonic compensation mode

3 器件选型与主要参数计算

为了使设计更符合工程实际，对设备的器件进行选型和参数的计算。已知直流融冰工作模式下，额定交流输入电压35 kV，额定容量P=60.5 MW，直流侧额定电压Udc=16.8 kV，H桥单个子模块直流电压0.9 kV。直流侧额定电流为

则流入各个桥臂的直流电流为1 200 A。计算交流输出电流Iac为

其中Uac为额定交流输出电压，则流过各个桥臂的交流电流为499 A，流过各个桥臂电流的有效值为

根据工程经验，电抗按Δμ=10%阻抗设计，电感

计算电容器在直流融冰模式下的参数［15］

式中：m为桥臂的交流电压调制比；ΔUmax为电容器纹波电压峰-峰值。

4 RTLAB仿真测试

全桥MMC 直流融冰装置在出厂前通常需要进行零功率测试和空载升压测试。零功率测试是在直流负载侧接入电抗器，由于电抗器的直流电阻几乎为0，测试装置的电流耐受能力。空载升压测试是将直流侧保持开路状态，以此测试装置对于电压的耐受能力［16］。本文采用RTLAB 实时仿真平台搭建系统仿真模型，进行零功率测试和空载升压测试的仿真分析，同时对其无功补偿能力和谐波补偿能力进行仿真，验证控制策略的正确性和有效性。

全桥MMC 直流融冰装置单桥臂功率单元级数为52个，系统额定值及仿真测试参数为：额定交流频率50 Hz，额定交流电压35 kV，额定功率60.5 MVA，额定直流电压16.8 kV，额定直流电流3 600 A，功率单元额定电流1 300 A，桥臂电抗13 mH，单元电容21 120 μF。

全桥MMC 直流融冰装置的零功率测试仿真结果如图8所示。此时直流负载侧接入电抗器，在0.5 s 投入运行，由于电抗器电阻为0，直流侧电压为0，直流侧电流稳定上升，在1.5 s到达设定值，这说明融冰装置能实现直流侧电流的连续控制，并且具备良好的耐流能力。

图8 零功率模式仿真结果Fig.8 Simulation of zero power mode

全桥MMC 直流融冰装置空载升压测试结果如图9所示。由于直流侧线路断开，故直流侧电流为0，直流侧电压在1.5 s时上升至设定值。这说明融冰装置能实现直流侧电压的连续控制，并且具备较好的耐压能力。

图9 空载升压模式仿真结果Fig.9 Simulation of no-load boost mode

为了验证设备无功补偿能力进行了无功阶跃响应测试及恒电压模式测试。如图10所示分别为无功阶跃和恒电压模式的测试结果。在0.35 s 将无功电流由1 pu 切换为-1 pu，设备响应时间小于5 ms。在0.4 s前被补偿系统电压控制到1 pu，0.4 s将电压指令值阶跃为0.95 pu，0.5 s 将电压指令值阶跃为1.05 pu，设备能较快调节电网电压，电压全补偿响应时间小于20 ms，具备无功补偿装置相应能力。

图10 无功补偿能力测试Fig.10 Test of reactive power compensation capacity

在谐波补偿测试过程中，向电网电流中加入5、7、11次谐波，并在1 s时投入谐波补偿功能。谐波补偿前后电网电流的对比情况如图11所示。在1 s 前，电网电流谐波含量大，电流发生畸变。在1 s 投入谐波补偿功能后，5、7、11 次谐波基本得到全补偿，电网电流恢复正弦波形式，说明所采用的谐波补偿控制策略有效。

图11 谐波补偿前后电网电流对比Fig.11 Comparison between grid currents before and after harmonic compensation

5 结 论

本文设计一台多功能全桥MMC 直流融冰设备，兼具无功补偿、谐波抑制功能。设计环流抑制器避免MMC 对电流的控制产生影响。直流融冰系统包含三部分：所有MMC模块直流电压的平均值控制，融冰电流和各相间直流电压的均衡控制，各相内单个子模块直流电压的控制，保证各个子模块的直流侧电压恒定，并采用多同步旋转坐标系下谐波补偿算法避免谐波对于系统的干扰。在RTLAB实时仿真平台进行零功率测试和空载升压测试，结果表明，装置可实现直流侧电压、电流的连续调控，具有较好的电压、电流耐受能力，还能具备无功补偿装置的相应能力；谐波补偿功能可以很好的补偿2~17次以下的谐波。