基于MMC的柔性直流系統(tǒng)控制策略研究

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(1.西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021;2.電力規(guī)劃總院有限公司，北京 100120;3.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100054)

0 引 言

電壓源換流器(voltage source converter, VSC)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，具有自換相能力，能有效避免換相失敗問題，同時還能夠?qū)τ泄?無功功率進(jìn)行獨立控制，在直流輸電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已建成的柔性直流輸電工程主要為兩電平和三電平的VSC。但是VSC也存在缺點：首先，由于換流器電平數(shù)量限制，VSC輸出特性不穩(wěn)定，在工程中需要提高開關(guān)頻率使用高頻PWM調(diào)制策略來改善輸出特性，造成較高的開關(guān)損耗；其次，VSC橋臂中開關(guān)器件的串聯(lián)均壓技術(shù)實現(xiàn)困難，嚴(yán)重制約了VSC在更高電壓等級的柔性直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用。

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC) 由于具有公共的直流母線，通過增加換流器級聯(lián)數(shù)就可以提高輸出電壓擴(kuò)展到大功率輸電，因此MMC被認(rèn)為是更適合應(yīng)用于柔性直流輸電領(lǐng)域的新技術(shù)。文獻(xiàn)[1]分析了MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，得出了理論等效電路模型；文獻(xiàn)[2]對MMC-HVDC系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，但該模型選擇了與傳統(tǒng)VSC相同的控制策略，直流電壓波動較大。文獻(xiàn)[3]將空間矢量脈沖調(diào)制策略用于MMC中，提出了調(diào)制策略的通用算法。文獻(xiàn)[4]采用多電平消諧波調(diào)制策略，在降低換流器開關(guān)頻率的同時實現(xiàn)了諧波抑制。

下面通過分析MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，研究MMC-HVDC系統(tǒng)的簡化數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)該模型將傳統(tǒng)的VSC控制策略應(yīng)用到全橋MMC系統(tǒng)中，提出有功/無功控制策略實現(xiàn)系統(tǒng)有功/無功的快速跟蹤。最后在PSCAD/EMTDC中對有功階躍、有功翻轉(zhuǎn)及有功/無功獨立控制3種工況進(jìn)行了仿真驗證。

1 MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制參數(shù)設(shè)計

圖1為三相模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖中：ua、ub、uc和ia、ib、ic分別表示交流系統(tǒng)三相輸入電壓和電流；Ud和Id分別表示直流側(cè)輸出電壓和電流，“O”表示直流側(cè)虛擬中性點。相比于傳統(tǒng)VSC，MMC由3個相單元組成，在直流側(cè)正負(fù)極之間沒有直流儲能電容。相單元由兩個電抗L0和n個子模塊(SMn)串聯(lián)而成的橋臂組成。MMC子模塊主要有半橋子模塊和全橋子模塊兩種，如圖2所示。

圖1 MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

半橋子模塊由一個作為開關(guān)單元的IGBT半橋和一個直流儲能電容C0組成，其中IGBT半橋包含兩組IGBT(T1、T2)和續(xù)流二極管(D1、D2)。對于半橋子模塊，令直流電容電壓為Uc，子橋模塊輸出電壓為USM。子模塊根據(jù)內(nèi)部T1、T2的開關(guān)狀態(tài)及電流方向，可以分為閉鎖、全電壓和零電壓3種常見運行狀態(tài)。

1)閉鎖狀態(tài)：T1、T2均關(guān)閉。此時電流經(jīng)D1給電容充電，或經(jīng)D2旁路子模塊。閉鎖狀態(tài)一般在MMC啟動或系統(tǒng)發(fā)生故障時使用。

圖2 半橋及全橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2)全電壓狀態(tài)(投入狀態(tài))：T1導(dǎo)通，T2關(guān)閉。電流經(jīng)T1放電或經(jīng)D1給電容充電，此時子模塊端口電壓等于電容電壓，即USM=Uc。

3)零電壓狀態(tài)(切除狀態(tài))：T1關(guān)閉，T2導(dǎo)通。此時子模塊被D2或T2旁路，子模塊端電壓等于0。

全橋子模塊則是由4個IGBT(T1至T4)和4個反并聯(lián)二極管(D1至D4)以及一個直流儲能電容C0組成。定義全橋MMC流入子模塊正端口為橋臂電流正方向，反之為負(fù)。T1、T4導(dǎo)通，USM=Uc，T2、T3導(dǎo)通，USM=-Uc；T1、T2或T3、T4導(dǎo)通，USM=0。因此，根據(jù)IGBT導(dǎo)通方式的不同，全橋子模塊可分為兩種工作模式：PLUS模式和MINUS模式。PLUS模式下子模塊交替地輸出Uc和0；MINUS模式下子模塊交替地輸出-Uc和0。同時，全橋子模塊的運行狀態(tài)也可分為閉鎖、切除和切除3 種。

1)閉鎖狀態(tài)： T1至T4全部關(guān)閉，電流經(jīng)D1和D4給電容充電，或電容經(jīng)D2和D3反極性接入電路。這種狀態(tài)應(yīng)用在系統(tǒng)故障時或在預(yù)充電不控整流階段。

2)投入狀態(tài)：T1和T4導(dǎo)通，T2和T3關(guān)閉，正方向時，電流經(jīng)D1和D4給電容充電；反方向時，電流經(jīng)T1和T4放電。此時，全橋子模塊電容器被接入到主電路中，輸出電壓為電容電壓。

3)切除狀態(tài)：T1和T3導(dǎo)通，T2、T4關(guān)閉，正方向時，電流經(jīng)D1和T3將子模塊旁路；反方向時，電流經(jīng)D3和T1將子模塊旁路。

2 有功/無功控制

圖3為典型MMC-HVDC系統(tǒng)的基本控制策略框圖。送端及受端換流器均包含有功功率控制器及無功功率控制器，同時有一端包含直流電壓控制器。具體的控制組合主要取決于交流系統(tǒng)情況的改變。一般對于兩端有源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可以在整流側(cè)采用有功/無功控制，逆變側(cè)采用直流電壓和無功的控制組合。典型MMC-HVDC系統(tǒng)的控制策略可以分為內(nèi)環(huán)電流控制器與外環(huán)功率控制器兩部分。內(nèi)環(huán)電流控制器決定了MMC-HVDC系統(tǒng)的直流側(cè)輸出特性，外環(huán)控制器決定了MMC-HVDC系統(tǒng)的基本控制方式。內(nèi)環(huán)電流控制器通過調(diào)節(jié)MMC輸出電壓，使坐標(biāo)軸電流快速跟蹤參考值；外環(huán)控制器可根據(jù)系統(tǒng)功率以及直流電壓，計算內(nèi)環(huán)電流控制器的d、q軸電流參考值。

在穩(wěn)態(tài)下，電網(wǎng)三相平衡，系統(tǒng)的電壓和電流均只含有正序分量。根據(jù)圖4所示的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可得到MMC在d、q坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為

(1)

式中：usd、usq為網(wǎng)側(cè)電壓的d軸和q軸分量；id、iq為網(wǎng)側(cè)電流的d軸和q軸分量；vd、vq為閥側(cè)交流電壓的d軸和q軸分量；ω為電網(wǎng)角頻率。

MMC交流側(cè)功率和直流側(cè)功率可分別表示為

(2)

Pdc=UdcIdc

(3)

在正常情況下，usq=0，那么由式(2)可得交流系統(tǒng)送入MMC的功率的直流分量為

(4)

1)內(nèi)環(huán)電流控制器

在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，由于d軸電流和q軸電流

圖3 雙端MMC-HVDC系統(tǒng)控制框圖

圖4 MMC的基本控制策略結(jié)構(gòu)框圖

之間存在耦合關(guān)系，難以實現(xiàn)單獨控制。內(nèi)環(huán)電流控制器的作用就是讓d軸和q軸電流分量獨立解耦合控制，使電流能夠快速跟蹤參考值。圖5為內(nèi)環(huán)電流控制器結(jié)構(gòu)圖。通過PI控制并引入電壓前饋和耦合補(bǔ)償，可得內(nèi)環(huán)電流控制器的輸入變量為

(5)

將式(5)代入式(1)可得d、q軸電流表達(dá)式為

(6)

可見，d、q軸電流之間實現(xiàn)了解耦。

圖5 內(nèi)環(huán)電流控制器結(jié)構(gòu)

2)外環(huán)功率控制器

MMC中引入了內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)功率控制器。內(nèi)環(huán)電流控制器使得d軸和q軸電流解耦合并能快速跟蹤參考值，外環(huán)功率控制器則能夠根據(jù)系統(tǒng)變化及系統(tǒng)參數(shù)來確定內(nèi)環(huán)電流參考值。通過內(nèi)外控制器的綜合作用可以有效對系統(tǒng)的功率變化進(jìn)行跟蹤，實現(xiàn)系統(tǒng)有功/無功控制。由于實際中為了防止器件過電流，一般認(rèn)為負(fù)序電流的參考值為0。由此根據(jù)式(4)可得d軸和q軸電流參考值以及定直流電壓控制下d軸電流參考值分別為

(7)

(8)

需要特別說明的是，雙端MMC-HVDC系統(tǒng)正常運行時，若送端換流器采用定直流電壓控制和無功控制，則受端可采用有功/無功控制，反之亦可。

3 仿真驗證及分析

為了驗證MMC-HVDC系統(tǒng)模型的正確性及有功/無功控制策略的有效性，基于PSCAD/EMTDC仿真軟件，通過搭建典型MMC-HVDC的雙端系統(tǒng)，在有功功率階躍、有功功率翻轉(zhuǎn)和有功/無功獨立控制3種典型情況下對前面所述控制策略進(jìn)行了仿真驗證。

1)有功功率階躍情況下的仿真

初始時，設(shè)定系統(tǒng)傳輸有功功率為1000 MW，無功功率為0 MVA；在3.5 s時，有功功率設(shè)定為600 MW，無功功率為0 MVA；直流電壓一直保持640 kV不變。仿真結(jié)果如圖6所示：其中(a)、(b)

(a)送端有功功率/無功功率

(b) 受端有功功率/無功功率

(c)送端直流電壓

(d)受端直流電壓

分別為送端和受端有功/無功波形，可見系統(tǒng)的有功、無功能夠快速跟蹤指令值的變化，解耦性能較好；(c)、(d)分別為送端與受端直流電壓波形，可見有功功率發(fā)生階躍時，系統(tǒng)直流電壓波動較小，即使發(fā)生波動也能較快地恢復(fù)穩(wěn)定值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

2) 有功功率翻轉(zhuǎn)情況下的仿真

直流電壓為640 kV不變，在啟動完成后MMC1側(cè)的有功功率設(shè)置為1000 MW，3.5 s時設(shè)為-600 MW。仿真結(jié)果如圖7所示?？梢?，當(dāng)系統(tǒng)有功功率發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)有功和無功均有較快的響應(yīng)速度，能較快恢復(fù)穩(wěn)定運行，并快速實現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)。

(a)送端有功功率/無功功率

(b) 受端有功功率/無功功率

3) 有功/無功獨立控制情況下的仿真

直流電壓640 kV，在啟動完成后MMC1側(cè)的有功功率設(shè)置為1000 MW，3 s時設(shè)為800 MW。無功功率初始值為0，4.5 s時設(shè)為200 MVA。

仿真結(jié)果如圖8所示，由圖可見當(dāng)系統(tǒng)的無功功率和有功功率發(fā)生階躍時，系統(tǒng)顯示出良好的解耦性能，有功功率和無功功率之間相互影響較小，系統(tǒng)的功率能夠快速跟蹤系統(tǒng)的變化。

4 結(jié) 語

研究了MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型，并簡化了電路模型。將傳統(tǒng)VSC的功率控制策略應(yīng)用到MMC系統(tǒng)中，設(shè)計了適用于MMC系統(tǒng)的有功/無功控制策略。通過在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建21電平雙端MMC-HVDC系統(tǒng)模型并進(jìn)行3種常見工況的仿真研究，驗證了所建簡化數(shù)學(xué)模型的正確性和所提控制策略的有效性。

(a)送端有功功率/無功功率

(b) 受端有功功率/無功功率