MMC-HVDC 閥組控制策略分析

趙海頤，冉華軍

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

1 MMC-HVDC電路拓撲與工作原理

模塊化多電平高壓直流輸電系統（MMC-HVDC）換流器的各相由總數為2N的子模塊串聯構成，結構如圖1所示，其中第i模塊的結構如圖2所示。換流器常態工作時，任意時刻各相投入N個子模塊，上、下臂中投入子模塊數隨時間按正弦規律進行計算分配，從而輸出三相交流正弦電壓。

圖1 MMC-HVDC拓撲結構

MMC-HVDC采用分層控制以提高運行可靠性、可用率和安全性，由上至下依次為系統控制層、極控制層和閥組控制層（如圖3所示）。極控制層傳送調制比M及移相角δ指令至MMC-HVDC控制系統的最底層控制層——閥組控制層，閥組控制層包含相間環流抑制、調制以及電容電壓平衡控制等環節，產生觸發脈沖觸發換流器閥子模塊[1-2]。

圖2 MMC子模塊拓撲結構

圖3 MMC-HVDC控制系統示意圖

2 相間環流抑制策略

2.1 相間環流分析

MMC三相橋臂在直流側并聯，穩態運行時各橋臂直流電壓嚴格一致。然而，分布式MMC電容使各相能量分配不均衡，引起了電容電壓波動與不均衡，造成各橋臂間電壓不均衡，使相間產生內部環流，橋臂電流波形畸變，器件額定電流提高。因此，應設計控制策略抑制環流。圖4為環流分析原理圖，各橋臂建模為橋臂電抗與受控電壓源串聯支路，采用下標p、n以區分上、下橋臂的變量。

文獻[3-4]分析指出，MMC上、下橋臂電壓不均衡引起三相橋臂間流動的內部環流，環流頻率為兩倍基頻并具有負序性質，不影響外部系統。MMC各相結構對稱，由KCL可寫出橋臂電流表達式為：

式中，ipj、inj為j相橋臂電流，ij為交流側線電流，icjrj為j相上下橋臂環流。環流因受橋臂電抗器限制其量值并不大，但相間兩倍頻負序電流使橋臂電流波形發生畸變，并影響電容電壓平衡。

圖4 MMC相間環流原理圖

2.2 環流抑制原理

環流引起的各相不平衡壓降為：

設出口電壓為uj，上下橋臂電壓為upj、unj，則由KVL可得：

由式（3）可得：

式（4）表明，不平衡壓降為環流在橋臂電抗器上的壓降，是直流電壓與上下橋臂電壓之和不相等引起的。為了將成熟的VSC功率控制策略和電流控制策略植入MMC控制系統，以抑制或者盡量降低環流造成的不平衡壓降，實現其上下橋臂電壓均衡控制，環流抑制控制器結構框圖如圖5所示[4]。

圖5 環流抑制控制器結構框圖

圖5 中，橋臂電流ipj與inj( j=a,b,c)求和運算后除以2得到三相環流icirj，然后對其進行兩倍頻負序坐標變換Tacb/dq得到dq軸分量i2fd和i2fq，與參考值i2fd_ref=0和i2fq_ref=0間的誤差作為PI調節器輸入量，并引入2ω0L0i2fd、2ω0L0i2fq（ω0為基波角頻率）電壓前饋量消除dq軸耦合，形成dq軸不平衡壓降參考值ucird_ref和ucirq_ref，對其進行逆變換Tdq/acd得到三相負序不平衡電壓降參考值ucirj_ref( j=a,b,c)并作為調制環節輸入，從而實現環流抑制。

式（5）和式（6）中，θ=2ω0t，相序均為a-c-b。

3 最近電平逼近調制階梯波調制策略

調制策略是MMC多電平換流器實現傳輸功率的重要環節，其調制效果直接影響輸出電壓諧波特性與換流器損耗。與PWM調制相比，階梯波調制開關頻率低，具有較小的開關損耗。對于電平數很多的換流器，因無需控制脈沖寬度，階梯波調制簡單易實現，具有明顯優勢[5]。MMC-HVDC為提高直流電壓通常采用上百個子模塊級聯方式[6]，電平數巨大，基于階梯波調制可獲得優良輸出特性，并大幅削弱諧波含量。此外，如此多電平數情況下采用PWM調制方式需要很高的開關頻率，導致開關損耗上升，同時策略實現異常復雜，不適合MMC-HVDC。

具體實現階梯波調制的方式包括特定消諧法階梯波調制（Selective Harmonic Elimination SM，SHESM）和電壓逼近階梯波調制。SHESM調制波幅值隨時間變化，計算量較大，具有較好的穩態性能，但動態性能較差，且實現復雜程度隨電平數的增加劇增。電壓逼近階梯波調制策略有兩種方案——空間矢量調制和最近電平逼近調制（Nearest Level Modulation，NLM），基本思想是各個控制時刻使用最接近電壓矢量或最接近瞬時電平逼近調制正弦波，適用于多電平應用場合[7]。MMC-HVDC系統電平數極多，空間矢量方案實現較復雜，通常采用NLM[7]。

假定各模塊電容電平值均為UC，對各子模塊分別予以控制，各子模塊輸出電平疊加構成輸出階梯波，形狀逼近正弦調制波um(t)，如圖6所示。圖6中，θi為首個1/4周期投入第i個電平的電角度，s為投入電平數。

假設MMC各相橋臂共有2N個子模塊（通常N為偶數）。為確保直流電壓恒定，上下橋臂任意時刻投入子模塊總數為N。若上下橋臂投入子模塊數相同即均為N/2，則輸出電壓為0。將一個完整調制波周期劃分4個1/4周期時段，第1個1/4周期正弦調制波瞬時值從0開始上升，該時段內下橋臂投入子模塊數需逐漸增加，上橋臂投入子模塊數需相應減少（上下橋臂投入子模塊總數保持不變），該相總輸出電壓也逐漸增加，波形逼近正弦調制波，誤差可控制在±UC/2以內[8]。當上橋臂投入子模塊數為np（0＜np＜N）時，下橋臂投入子模塊數nn=N-np，上下橋臂投入子模塊數分別為：

式（7）中，round(x)表示取最接近x的整數，因此電平逼近調制也稱為量化取整法。

圖6 基于正弦逼近的階梯波調制策略原理圖

4 電容電壓平衡控制策略

橋臂各子模塊不同投入時刻、不同橋臂電流、不同電容損耗以及電容值偏差等因素，都會引起子模塊電容電壓不平衡，導致直流電壓不穩定，并產生兩倍頻負序相間環流[3]。因此，站級控制器必須具有實現換流器子模塊均壓功能，并選擇能以合理開關頻率實現的控制策略，為并聯在直流側的結構相同的三相單元提供穩恒直流電壓，保證MMC-HVDC換流器正常運行[8]。

通常采用均壓排序法實現電容均壓控制，具體實現方法為：接口電路對各子模塊電容電壓以毫秒級采樣速率進行采樣，同時確定橋臂電流方向；上層控制器對子模塊電容電壓按大小進行排序，并根據橋臂電流方向及需投入子模塊數投入和切除相關子模塊。電流流入子模塊使子模塊充電，投入此類子模塊可提升其電容電壓；電流流出子模塊使子模塊放電，投入此類子模塊可降低其電容電壓。基于均壓排序原理的均壓控制策略，既可保持電容電壓穩定，也可實現開關器件損耗的均勻分布。

為保證各子模塊電壓均衡，必須在極短時間內檢測各子模塊電容電壓并進行相應的投切操作。IGBT器件高頻通斷，致使開關損耗増加。因此，在進行均壓控制時，需重點關注對電壓偏離額定值較多的子模塊。增大電容電壓偏離額定值較少的子模塊在觸發控制下一次動作時，保持原來投切狀態的可能性，以降低器件的開關頻率。為使更多子模塊保持原狀態，在對子模塊電容電壓排序時增加兩個保持因子，將電容電壓偏離額定值較多的子模塊作為平衡控制的重點，有效地降低元件的投切次數，從而減少開關損耗。具體實現方法為：當子模塊因橋臂電流充電時，先將處于投入充電狀態子模塊的電容電壓以及電容電壓過低且處于切除狀態子模塊電容電壓分別乘以一個略小于1的保持因子HF1，在此基礎上對所得結果進行排序后決定各子模塊投切控制。電壓的降低增大了這些子模塊在下一次觸發控制時保持或投入充電狀態的可能性。當子模塊因橋臂電流放電時，先將處于投入放電狀態子模塊的電容電壓以及電容電壓過高且處于切除狀態子模塊的電容電壓乘以一個略大于1的保持因子HF2，在此基礎上對所得結果進行排序后決定各子模塊投切控制。電壓的升高增加了這些子模塊下一次觸發控制時保持或投入放電狀態的可能性。圖7是基于雙重保持因子電容電壓平衡控制策略框圖[1]。

5 閥組控制冗余配置策略

柔性直流輸電換流閥控制保護性能的優劣，直接決定換流閥及整體系統的安全可靠。為了達到工程要求的可用率和可靠性指標，柔性直流輸電換流閥控制保護系統采用雙系統熱備份冗余設計。閥控系統和換流器控制保護裝置A和裝置B，兩套系統完全獨立，同時接收換流站級控制保護裝置的命令。經過A、B兩套系統的協調判斷后，確定脈沖分配裝置的控制保護指令。冗余控制系統設計可保證系統不會因任一單重故障而發生停運，也不會因單重設備故障而喪失監視、控制和保護功能。

換流器控制保護和閥控冗余切換邏輯，如圖8所示。換流器控制保護A每一個通信周期都會將本機的故障狀態（健康、輕微故障、嚴重故障、緊急故障）和值班/運行狀態以通信的方式告訴換流器控制保護B以及站控A、站控B，同時會有單獨的值班/運行脈沖信號控制閥控A的值班/運行狀態。換流器控制保護A接收閥控A的請求切換信號。同理，換流器控制保護B每一個通信周期都會將本機的故障狀態（健康、輕微故障、嚴重故障、緊急故障）和值班/運行狀態以通信的方式告訴換流器控制保護A以及站控A、站控B，同時會有單獨的值班/運行脈沖信號控制閥控B的值班/運行狀態。換流器控制保護B接收閥控B的請求切換信號。

圖8 冗余切換邏輯

只有當換流器控制保護A、B的狀態處在同一級別且處于健康或輕微故障狀態時，才允許數據采集與監控系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）發送切換命令。換流器控制保護和閥控裝置采用一對一綁定關系，同時切換換流器控制保護系統和閥控系統。

MMC換流器各相投入子模塊數必須維持在N個，才能確保輸出直流電壓的穩定。一旦MMC某橋臂上發生子模塊故障，該橋臂甚至整個換流器將不能正常工作甚至退出運行，給整個MMC-HVDC系統帶來沖擊，大大降低系統的穩定性與可靠性。因此，對各橋臂子模塊應配置故障冗余控制保護，并在各橋臂加裝一定數量的備用冗余子模塊。當換流器橋臂上故障子模塊數小于等于冗余子模塊數時，換流器仍然能保持正常運行。

6 結 論

分析MMC-HVDC相間環流產生原因和環流抑制原理，分析MMC-HVDC中較常用的NLM調制方式的原理及實現方式，并在此基礎上進一步研究基于雙重保持因子的電容電壓平衡控制策略，重點介紹閥組控制冗余配置方案，對全面理解MMC-HVDC的閥組控制策略有較好的指導作用。