基于陷波器改进PIR的MMC环流抑制策略

王 通，段恩业，王 爱，匡艳普

(1.江苏苏盐井神股份有限公司热电分公司,江苏 淮安 223200;2.江苏苏盐井神股份有限公司,江苏 淮安 223200;3.清河街道办事处,江苏 淮安 223001)

0 引言

伴随高压直流输电技术的不断完善,采用MMC(电网换相换流器)换流器的传统高压直流输电系统已经十分完善。传统高压直流输电适用于远距离、大容量的输电工程[1]。由电网换相换流器构成的高压直流输电系统具有建造成本低、功耗低、传输容量大等优点,在实际应用中,高压直流输电系统在远距离输电中性能较好。其关键在于LCC-MMC换流器能够实现远距离输电和电网互联[2]。

目前,无论是针对MMC环流抑制还是故障控制策略等方面的研究取得了一定的成绩,但是在对MMC中环流抑制策略的准确方面,还有待进一步的研究完善。文献[3]在基本控制策略的基础上,研究了附加控制策略,以改善系统对电压不均问题的响应特性,整流侧交流系统故障时整流侧功率传输中断的问题,以及逆变侧交流系统故障时逆变侧直流过电压问题。在文献[4]中,为了能够解决系统逆变侧的交流故障,主要利用了其运行的特点,开发出了一种能够控制在过电压触发角的新策略,当交流系统在逆变侧发生故障时,可以降低传输系统逆变侧的过电压。参考文献[5]针对交流系统产生的穿越能力故障问题,通过提高其控制器的参数,同时实现在交流电压出现下降的情况下,实现实时针对系统的控制能力进行测试。文献[6]针对直流线路出现的短路问题,提出了能够在其出现短路故障的时候,直流电系统依然持续进行电力的传输。文献[7]分析了各种情况下,混合直流输电系统的控制策略。注重变频器在各种工况下无阻塞安全的运行,提出了不间断运行控制策略。

由于LCC-MMC换流器中存在环流,导致换流器产生额外的损耗,桥臂电流波形因此会产生畸变,因此,本文提出一种基于陷波器的改进PIR控制器的环流抑制策略。

1 MMC相间环流机理分析

为了能够抑制桥臂中的环流,首先应该分析MMC相间环流的机理。由于MMC是对称结构,本文以A相为例进行分析,其等效电路如图1所示,R为桥臂电阻,Larm为桥臂等效电感[8]。

图1 MMC单相等效电路

根据基尔霍夫定理可以列出上下桥臂的电压方程:

(1)

(2)

将等式(1)和(2)化简,得到交、直流侧的数学模型:

(3)

(4)

其中:Ea为A相的电动势,iza为A相内部电流,其方程如下:

(5)

桥臂电压可表示为:

(6)

桥臂电流可表示为:

(7)

其中:j为功率因数角,m为电流调制比。

由此桥臂的瞬时功率可以表示为:

(8)

将上下桥臂功率分别积分相加得到A相瞬时功率的交流分量:

(9)

直流分量为:

(10)

但桥臂电流中不仅含有基波分量,还有2倍频交流分量,为了能够精确地计算出环流的大小,应该对式(6)进行改进为:

(11)

因此桥臂电流也存在一个2倍频的交流分量,桥臂电流应表示为:

(12)

其中,U2f为2倍频环流峰值。

对上、下桥臂电压电流积分,可以得到交流电压表达式,相电压中包含一个4倍频分量,另外还存在一个交流分量,根据改进的方程可以通过积分得到其能量。通过计算可以得出:环流电流仅存在偶数次谐波,6n-4次是负序谐波,6n-2次是正序谐波,6n次是零序谐波。而且谐波等级越高,其含量越少。本文主要对二次谐波和四次谐波进行分析。

2 MMC环流抑制策略

2.1 传统环流抑制策略

准比例谐振(PR)控制器是目前最常用的一种传统环流抑制控制器,对交流信号而言,该控制器能够实现无静差调节。2倍频环流抑制时,不需要进行坐标变换和相间解耦控制,环流的实际值主要通过上、下桥臂的桥臂电流值得到,将环流的参考值与实际值比较得出环流偏差值,然后进行准PR控制,从而控制环流的实际值在参考值附近变化[9]。其中,环流的参考值一般设置为0,将会造成一定的误差。

2.2 改进的环流抑制控制策略

在分析了MMC相间环流的机理中,可以得到二次谐波与四次谐波环流是环流的主要成分,高阶环流是由低阶引起的,因此可以通过减小二次谐波与四次谐波来抑制换流器中的环流。

传统的PI环流抑制控制器只能对单一的2倍频分量具有抑制效果,不能够很好的抑制环流中的4倍频和6倍频等高次谐波分量。为了解决此问题,本文提出对环流中的二次和四次谐波分量分别进行抑制的环流抑制方法。

利用2倍频陷波器与4倍频陷波器预处理,分别提取桥臂环流中的二次谐波分量与四次谐波分量。陷波器的传递函数为:

(13)

式中:ω表示陷波器的角频率;t=1/(2Q)中Q表示陷波器的品质因数。

本文采用PI和PR控制器并联的方式来抑制子模块的环流,并联后的传递函数为:

(14)

式中:kp为比例系数;kr为谐振系数;wc为响应带宽;wn为陷波器的转折频率。得出的控制策略如图2所示。

图2 PIR控制策略

2倍频分量和4倍频分量两部分共同构成PIR控制策略。2倍频用来消除二次负序谐波分量,因此采用2倍频负序旋转坐标,4倍频用来消除4次正序谐波分量,同理采用正序旋转坐标变换。用复合PIR控制器代替传统PI控制器来抑制环流,消除衍生出来的高次谐波分量。

3 仿真分析

为了验证所提的环流抑制控制策略的效果,在PSCAD/EMTDC仿真系统搭建特高压三相混合直流输电工程中,对环流抑制器启动和未启动时进行仿真,上文的式(14)中取kp=3.5、ki=50、kr=60,得到的电压、电流波形如下:

由图3可以得出,环流抑制器未启动时,环流几乎不对MMC直流侧的电压和电流产生影响,同时也不会使交流侧的电压和电流产生畸变。

图3 改进环流抑制器未启动时MMC侧电压和电流

由图4可以看出环流抑制器未启动时,A相桥臂电流由于环流的存在发生了畸变。

图4 改进环流抑制器启动前A相上桥臂电流

在t=1 s时,环流抑制控制器开始启动,通过仿真得到的波形如下图所示。

图5为环流抑制器启动后MMC侧直流电压、电流以及交流电压、电流波形,对比图4环流抑制器启动前的电压、电流波形,可以得出:换流站内部环流对直流电压、电流以及交流电压、电流几乎没有影响。

图5 改进环流抑制器启动后MMC侧电压和电流

由图6可以得出,环流抑制器启动后明显改变了桥臂电流的畸变程度,有效抑制了换流站的相间环流得到有效的抑制。

图6 改进环流抑制器启动后A相桥臂电流

如表1中序号2的波形所示,波形总谐波畸变率(THD)从原来的44.65%,减小到4.2%,相对于传统PR控制器的抑制效果6.3%,提高了2.1%。

表1 A相桥臂电流畸变率(THD)的不同抑制器结果

4 结论

本文对MMC相间环流的机理进行分析,得出环流主要为偶次谐波,并且二次谐波与四次谐波为主要分量,提出的一种基于陷波器改进PIR控制器的环流抑制策略,通过仿真结果分析得出此方法可以有效地改善桥臂电流畸变现象,在一定程度上减小环流的幅度,并且MMC内部环流限制在一定范围内,不会对交流侧和直流侧输出电压、电流产生负面影响。