全橋MMC直流融冰裝置設(shè)計及仿真

袁 康，呂孝國，田智全，王飛義，朱連成

（1.遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧榮信興業(yè)電力技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114051；3.遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

架空輸電線路嚴(yán)重覆冰后將導(dǎo)致電線基桿塔傾倒，引發(fā)大范圍停電事故。2008年，我國南方遭遇的極端冰雪天氣致使多地發(fā)生供電中斷，其直接經(jīng)濟損失多達 150 億元［1］。此后的 2011 年和2018 年，南方地區(qū)再次遭到罕見冰雪惡劣天氣侵襲，電網(wǎng)線路受到嚴(yán)重考驗。根據(jù)焦耳熱效應(yīng)原理，采用調(diào)制輸電線路電流進行融冰的方法最為環(huán)保和高效。交直流電均可用于輸電線路融冰，但直流融冰裝置所需容量明顯更小于交流融冰裝置，可應(yīng)用于各種場合［2］。傳統(tǒng)的單一直流融冰裝置只工作于冰雪天氣，利用率低。同時兼顧電網(wǎng)線路融冰和電力系統(tǒng)無功補償及諧波抑制等功能為一體的新型電力電子裝置更具有工程應(yīng)用價值。

電力電子技術(shù)的高速發(fā)展和電力電子器件的推陳出新，使得傳統(tǒng)晶閘管型直流融冰裝置逐漸被淘汰，而模塊化多電平變流器（Modular multilevel converter，MMC）具有模塊化結(jié)構(gòu)、電路拓?fù)淙哂嘈詮?、易于擴展、調(diào)制電壓范圍廣等諸多優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各種中高壓場合［3］，如高壓直流輸電（High voltage direct current，HVDC）［4］、靜止同步補償器（Static synchronous compensator，STATCOM）等［5］。MMC 有全橋和半橋兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與半橋型MMC 相比，全橋型MMC 雖然運用了更多的半導(dǎo)體開關(guān)元件，但其輸出直流電壓范圍更廣，更適用于直流融冰技術(shù)［6］。文獻［7］將兩個MMC 變流器中性點相連，組成一個三相六橋臂的三相橋式電路，通過調(diào)制控制，使兩個變流器中性點產(chǎn)生電壓差，達到直流融冰的目的。該方案可獨立實現(xiàn)直流融冰和無功補償?shù)墓δ埽刂撇呗院唵?，諧波污染小，但未考慮MMC 的環(huán)流抑制問題。文獻［8］針對MMC 子模塊電壓波動大導(dǎo)致環(huán)流的問題，分析MMC 橋臂子模塊電壓波動和環(huán)流的關(guān)系，提出一種簡單的環(huán)流抑制方案，仿真結(jié)果證明了其有效性。

本文提出一種全橋MMC 型直流融冰裝置的綜合設(shè)計方案，系統(tǒng)可對有功功率與無功功率進行解耦控制，以實現(xiàn)融冰直流電壓和交流無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，既具有融冰能力，又能補償2~17次以下的諧波。采用RTLAB 控制系統(tǒng)實時仿真驗證全橋MMC拓?fù)洹h(huán)流抑制器設(shè)計及融冰與諧波補償控制策略的正確性和有效性，為直流融冰裝置性能測試與實驗研究提供基礎(chǔ)。

1 全橋MMC直流融冰工作原理

1.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全橋MMC 型直流融冰系統(tǒng)電路拓?fù)淙鐖D1所示。系統(tǒng)額定交流輸入電壓35 kV，額定容量60.5 MVA，直流側(cè)額定電壓16.8 kV，額定直流電流3.6 kA。PT 為交流電網(wǎng)電壓檢測互感器。MMC1、MMC2為變流器，采用三相六橋臂構(gòu)成的三相橋式電路，共312 個全橋功率單元子模塊。upa、upb、upc、ipa、ipb、ipc和una、unb、unc、ina、inb、inc分別為各相上、下橋臂的等效壓降和電流，Rm、Lm為直流融冰裝置連接電抗器的等效電阻和電感，DC+、DC-分別為直流融冰線路的直流側(cè)電源正負(fù)極，Vdc+、Vdc-分別為直流側(cè)電壓檢測，Idc+、Idc-分別為直流側(cè)電流檢測，RLine為系統(tǒng)待融冰的某相線路。ia_MMC、ib_MMC、ic_MMC為系統(tǒng)交流側(cè)三相電流，iLoop_a、iLoop_b、iLoop_c為系統(tǒng)MMC橋臂環(huán)流。

圖1 全橋MMC型直流融冰裝置電路拓?fù)銯ig.1 Topological graph of full bridge MMC DC ice melting device

每個功率單元的H 橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示［9］。每個H 橋子模塊均包含 4 個 IGBT（絕緣柵雙極型晶體、管）功率器件及其反并聯(lián)二極管（VT1，VT2，VT3，VT4），C為直流側(cè)電容，R為直流均壓電阻。

圖2 H橋模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of H bridge module

1.2 全橋MMC的數(shù)學(xué)模型

對于融冰裝置電路拓?fù)?，根?jù)基爾霍夫電壓和電流定律可得

式中：j代表A、B、C 三相；p和n分別表示上、下橋臂；usj、ij_MMC分別表示電網(wǎng)電壓、電流；upj、unj和ipj、inj分別為上、下橋臂的電壓、電流；Rm為MMC連接電抗器的等效電阻；Vdc為MMC直流側(cè)電壓。

1.3 工作原理

當(dāng)全橋MMC 型直流融冰裝置工作于直流融冰模式時，控制器調(diào)制MMC1 中性點電壓為Vdc/2，MMC2中性點電壓為-Vdc/2，在待融冰的架空線路中產(chǎn)生直流電壓差Udc，設(shè)定RLine為待融冰架空線路的等效電阻，則融冰電流Idc=Vdc/RLine。當(dāng)待融冰架空線路較短時，其等效電阻RLine也小，此時直流融冰電源輸出的直流電壓Vdc也需要調(diào)低；當(dāng)待融冰架空線路較長時，其RLine也增大，Vdc也需要調(diào)高?？紤]到融冰裝置通常需要對多個輸電線路進行融冰，而各個輸電線路長度不盡相同，所以直流融冰裝置的直流側(cè)電壓需具備較寬的調(diào)制范圍［10］。

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 環(huán)流抑制器的設(shè)計

環(huán)流問題是所有MMC 變流器都存在的共性問題。MMC中環(huán)流只會在各相之間來回流動，并且各相環(huán)流之和為0。但環(huán)流的存在會增加器件的功率損耗，使橋臂電流產(chǎn)生畸變［11］，需要設(shè)計合理的控制策略抑制環(huán)流的生成。

理想條件下，以A 相為例，MMC 交流側(cè)基波輸出電壓、電流為

式中：Usa、Isa為交流側(cè)電網(wǎng)電壓、電流的幅值；φ為電流的初相角。

上、下橋臂的電壓、電流表達式分別為

式中：Idc為MMC 直流側(cè)電流；k為電壓調(diào)制比，m為電流調(diào)制比，

由式（6）~式（9）得到流經(jīng)a相上、下橋臂的瞬時功率為

忽略MMC內(nèi)部有功損耗，由功率守恒定律得

則由式（12）得kmcosφ=2。對式（10）和式（11）積分，并忽略直流分量，則二者相加可得A相交流瞬時視在功率為

其中，Ss為MMC的視在功率，各橋臂穩(wěn)態(tài)直流儲能分量為

式中：n為各橋臂子模塊的數(shù)量；UC為子模塊中電容的電壓。

MMC 的環(huán)流中包含直流分量和二倍頻的交流分量，其表達式為

其中，I2f為二倍頻交流分量的幅值。MMC內(nèi)部的環(huán)流主要由直流分量和二倍頻交流分量組成。將二倍頻交流分量轉(zhuǎn)化為dq軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量，以便于PI控制器的設(shè)計［12］。

環(huán)流抑制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中，iL_d，iL_q為三相環(huán)流iLoop_a，iLoop_b，iLoop_c在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq軸分量；Mza，Mzb，Mzc為環(huán)流抑制器的輸出預(yù)調(diào)制電壓，最終將輸入SPWM 得到三相六橋臂各MMC子模塊中的IGBT驅(qū)動控制信號。

圖3 環(huán)流抑制器的設(shè)計Fig.3 Design of loop current suppressor

2.2 直流融冰控制策略設(shè)計

直流融冰控制系統(tǒng)主要包含三部分［13］：第一部分為所有MMC模塊直流電壓的平均值控制，如圖4所示；第二部分為融冰電流和各相間直流電壓的均衡控制，如圖5 所示；第三部分為各相內(nèi)單個子模塊直流電壓的控制，如圖6所示。三部分的綜合控制能保證各個子模塊直流電壓都能達到設(shè)定值，避免直流側(cè)電壓不均產(chǎn)生過電流而損壞裝置。

圖4 所有子模塊直流側(cè)電壓平均值控制Fig.4 Control of average DC voltage of all sub-modules

圖5 融冰電流與各相的直流電壓均衡控制Fig.5 Balancing control of ice melting current and DC voltage of each phase

圖6 單個子模塊的均壓控制Fig.6 Voltage balance control of individual sub-module

在圖4 中，Udc_ave為所有子模塊直流側(cè)電壓的均值，Udc_r為直流側(cè)電容電壓的參考值，Usd、Usq為電網(wǎng)電壓在dq軸分量，Id、Iq為電網(wǎng)電流在dq軸分量，Iqr為基波電流q軸分量的給定值，其值根據(jù)需向電網(wǎng)輸送的無功功率獲取。無功電流的參考值由電網(wǎng)無功功率的調(diào)度計算得到。一般情況下，無功電流設(shè)定為0，以保證電網(wǎng)電流具有較高的功率因數(shù)?；娏骺刂骗h(huán)同樣采用PI 控制，直流側(cè)電壓外環(huán)PI 輸出作為有功電流內(nèi)環(huán)指令參考值，實現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)；無功電流內(nèi)環(huán)參考值由電網(wǎng)所需的無功功率獲取；直流電流控制器通過對線路電流采樣，采用PI 控制器實現(xiàn)對直流電流的無靜差控制?？梢?，MMC指令電壓信號是直流電壓環(huán)、基波電流環(huán)、直流電流環(huán)、環(huán)流抑制器器等輸出的疊加，最后在靜止坐標(biāo)系經(jīng)由SPWM控制MMC1~MMC2子模塊中各IGBT的開通和關(guān)斷。

在圖5 中，Udcj_ave(j=a,b,c)為各相子模塊的直流側(cè)電壓的平均值。以直流融冰電流參考值的1/3作為每相直流電流的參考值，既能實現(xiàn)各相變流器的均衡輸出，又能保證直流側(cè)融冰電流達到設(shè)定值。

在圖6中，Udcjn為各相內(nèi)每個子模塊的直流側(cè)電壓，inj為流經(jīng)各個子模塊的電流，Sgn(x)為符號判斷環(huán)節(jié)。單個子模塊的直流側(cè)電壓均衡控制策略采用有功矢量疊加方法，根據(jù)電容的充、放電狀態(tài)，疊加一個與電流方向相同的有功矢量：當(dāng)直流側(cè)電壓偏高時，疊加一個反向的有功功率，加速電容的放電；當(dāng)直流側(cè)電容電壓偏低時，疊加一個正向的有功功率，加速電容的充電，以此保證所有子模塊的直流側(cè)電壓達到設(shè)定值。

2.3 諧波補償模式

在實際運行中，電網(wǎng)電能的質(zhì)量往往會對融冰裝置產(chǎn)生一些影響，特別是當(dāng)電網(wǎng)中含有高次諧波時，融冰裝置可能會因過電流保護誤動作而退出運行，這將嚴(yán)重影響設(shè)備的運行穩(wěn)定性［5］。

本文在全橋型MMC 直流融冰裝置中增設(shè)諧波補償控制方案，控制框圖詳見圖7。諧波補償采用多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下諧波補償算法，諧波電流檢測和控制在諧波旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下實現(xiàn)，諧波電流通過相應(yīng)的諧波旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成直流量，通過低通濾波器提取直流量，并采用PI 控制器實現(xiàn)對指定次諧波電流的無靜差控制［14］。

圖7 諧波補償模式控制框圖Fig.7 Control diagram of harmonic compensation mode

3 器件選型與主要參數(shù)計算

為了使設(shè)計更符合工程實際，對設(shè)備的器件進行選型和參數(shù)的計算。已知直流融冰工作模式下，額定交流輸入電壓35 kV，額定容量P=60.5 MW，直流側(cè)額定電壓Udc=16.8 kV，H橋單個子模塊直流電壓0.9 kV。直流側(cè)額定電流為

則流入各個橋臂的直流電流為1 200 A。計算交流輸出電流Iac為

其中Uac為額定交流輸出電壓，則流過各個橋臂的交流電流為499 A，流過各個橋臂電流的有效值為

根據(jù)工程經(jīng)驗，電抗按Δμ=10%阻抗設(shè)計，電感

計算電容器在直流融冰模式下的參數(shù)［15］

式中：m為橋臂的交流電壓調(diào)制比；ΔUmax為電容器紋波電壓峰-峰值。

4 RTLAB仿真測試

全橋MMC 直流融冰裝置在出廠前通常需要進行零功率測試和空載升壓測試。零功率測試是在直流負(fù)載側(cè)接入電抗器，由于電抗器的直流電阻幾乎為0，測試裝置的電流耐受能力?？蛰d升壓測試是將直流側(cè)保持開路狀態(tài)，以此測試裝置對于電壓的耐受能力［16］。本文采用RTLAB 實時仿真平臺搭建系統(tǒng)仿真模型，進行零功率測試和空載升壓測試的仿真分析，同時對其無功補償能力和諧波補償能力進行仿真，驗證控制策略的正確性和有效性。

全橋MMC 直流融冰裝置單橋臂功率單元級數(shù)為52個，系統(tǒng)額定值及仿真測試參數(shù)為：額定交流頻率50 Hz，額定交流電壓35 kV，額定功率60.5 MVA，額定直流電壓16.8 kV，額定直流電流3 600 A，功率單元額定電流1 300 A，橋臂電抗13 mH，單元電容21 120 μF。

全橋MMC 直流融冰裝置的零功率測試仿真結(jié)果如圖8所示。此時直流負(fù)載側(cè)接入電抗器，在0.5 s 投入運行，由于電抗器電阻為0，直流側(cè)電壓為0，直流側(cè)電流穩(wěn)定上升，在1.5 s到達設(shè)定值，這說明融冰裝置能實現(xiàn)直流側(cè)電流的連續(xù)控制，并且具備良好的耐流能力。

圖8 零功率模式仿真結(jié)果Fig.8 Simulation of zero power mode

全橋MMC 直流融冰裝置空載升壓測試結(jié)果如圖9所示。由于直流側(cè)線路斷開，故直流側(cè)電流為0，直流側(cè)電壓在1.5 s時上升至設(shè)定值。這說明融冰裝置能實現(xiàn)直流側(cè)電壓的連續(xù)控制，并且具備較好的耐壓能力。

圖9 空載升壓模式仿真結(jié)果Fig.9 Simulation of no-load boost mode

為了驗證設(shè)備無功補償能力進行了無功階躍響應(yīng)測試及恒電壓模式測試。如圖10所示分別為無功階躍和恒電壓模式的測試結(jié)果。在0.35 s 將無功電流由1 pu 切換為-1 pu，設(shè)備響應(yīng)時間小于5 ms。在0.4 s前被補償系統(tǒng)電壓控制到1 pu，0.4 s將電壓指令值階躍為0.95 pu，0.5 s 將電壓指令值階躍為1.05 pu，設(shè)備能較快調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，電壓全補償響應(yīng)時間小于20 ms，具備無功補償裝置相應(yīng)能力。

圖10 無功補償能力測試Fig.10 Test of reactive power compensation capacity

在諧波補償測試過程中，向電網(wǎng)電流中加入5、7、11次諧波，并在1 s時投入諧波補償功能。諧波補償前后電網(wǎng)電流的對比情況如圖11所示。在1 s 前，電網(wǎng)電流諧波含量大，電流發(fā)生畸變。在1 s 投入諧波補償功能后，5、7、11 次諧波基本得到全補償，電網(wǎng)電流恢復(fù)正弦波形式，說明所采用的諧波補償控制策略有效。

圖11 諧波補償前后電網(wǎng)電流對比Fig.11 Comparison between grid currents before and after harmonic compensation

5 結(jié) 論

本文設(shè)計一臺多功能全橋MMC 直流融冰設(shè)備，兼具無功補償、諧波抑制功能。設(shè)計環(huán)流抑制器避免MMC 對電流的控制產(chǎn)生影響。直流融冰系統(tǒng)包含三部分：所有MMC模塊直流電壓的平均值控制，融冰電流和各相間直流電壓的均衡控制，各相內(nèi)單個子模塊直流電壓的控制，保證各個子模塊的直流側(cè)電壓恒定，并采用多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下諧波補償算法避免諧波對于系統(tǒng)的干擾。在RTLAB實時仿真平臺進行零功率測試和空載升壓測試，結(jié)果表明，裝置可實現(xiàn)直流側(cè)電壓、電流的連續(xù)調(diào)控，具有較好的電壓、電流耐受能力，還能具備無功補償裝置的相應(yīng)能力；諧波補償功能可以很好的補償2~17次以下的諧波。