基于三相橋臂能量均分策略的MMC均壓控制研究

鄧雪松 劉淼睿 劉勤

摘 要 模塊化多電平換流器（MMC）通過子模塊串聯可以實現電壓等級的提高。系統穩定運行的先決條件是子模塊電容的均壓控制。本文從橋臂能量平衡的角度推導分析子模塊電容電壓不平衡原因。在基于載波移相調制策略中，疊加了三相橋臂能量均分控制分量實現均壓控制。在PSCAD中進行了仿真，驗證該控制策略比單相橋臂能量均分控制具有更好的抗干擾能力。

關鍵詞 模塊化多電平換流器（MMC）;橋臂能量均分;均壓控制

引言

模塊化多電平換流器（MMC）本質上屬于VSC（電壓源型換流器）的一中。由于其模塊化的結構的特點，便于制造加工，成為柔性直流輸電系統提高電壓等級、大規模商用領域研究的熱點。MMC本身的結構屬性，直流端是沒有單獨的電容作為支撐的。MMC作為VSC的其中一類，系統的正常運行，直流側電壓必須保持穩定。同時，其子模塊的連接方式，要求其中每一個小電容的電壓互相之間保持均衡。因此，在MMC系統的控制策略中，必須考慮子模塊的均壓控制算法[1-2]。

1電容電壓均壓控制原理

根據MMC的工作特性[3-4]可推導得到其等效電路圖，如圖3所示，在直流端，PN之間的電壓由可用2個電容等效代替，其電壓大小為Udc。

以其中的a相為例，可以得到：

式中，Ua為交流側電壓的最大值，Isa為交流側電流的最大值。定義電壓調制比m，電流調制比k分別為：

可以推導得到系統的輸入、輸出功率分別為：

在穩態時，根據式（3），不考慮開關元件的損耗，根據能量守恒，可以推導出MMC其中一相橋臂的瞬時功率Pap（t）、Pan（t）分別為：

從式（4）可以看出，輸入的有功功率全部輸出到了直流側。無功功率在相間交換，并且是二倍頻的。

2電容電壓均壓控制器設計

當MMC處于穩態，每一項的能量為：

通過將環流控制在較低水平，確保每相的橋臂能量保持相當，可設計出控制器如圖2所示。

在圖2中，跟蹤參考值，輸出得到內環電流控制的參考值。在內環控制中，環流iz跟蹤參考值，輸出為電容電壓平衡的調節分量UAref。通過上述控制器，可以使橋臂間的電容電壓趨于一致，并抑制環流中。

在文獻[3]中，僅由一個橋臂的2N個子模塊的能量計算得到，即：

實際情況中，在MMC工作時，需確保三相之間的能量保持平衡，因此本文將由MMC三相的共6N個子模塊計算得到，即：

本算法的優點在于當，即使其中一相的電容電壓發生了變化，變化幅度會更小，使得系統的抗干擾能力更強。

因此，在載波移相調制策略中，疊加三相橋臂能量的調制波分量，在實現本身均壓的同時，實現更好的抗干擾能力。其控制原理圖如圖3所示。

3仿真驗證

在PSCAD仿真軟件中，建立了21電平的MMC系統仿真模型，對本文設計的均壓算法進行仿真分析，設定的參數如表1所示。

3.1 穩態仿真

如圖4所示，本文設計的算法能很好地實現子模塊電容電壓的均衡控制，波動范圍很小，直流側電壓也保持穩定[5]。

3.2 暫態仿真

設t=1s時，系統發了單相故障， 0.1s后，將故障切除，改變載波移相調制策略中的橋臂能量均分控制分量，分別采用單相橋臂分量、三相橋臂分量的控制算法，仿真結果如圖5、6所示。

對比圖5、圖6可知，在故障消除后，后者在故障切除后，而前者則未能恢復。因此，疊加三相橋臂分量的控制策略更優，能盡可能的維持系統的穩定，一定程度上提升抗干擾能力。

4結束語

從仿真結果可以看出，三相橋臂能量均分策略與單相橋臂能量均分策略相比，在發生單相故障時，具有更好的抗干擾能力。

參考文獻

[1] 劉鐘淇，宋強，劉文華. 基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統[J]. 電力系統自動化，2010，34（2）：53-58.

[2] 鄧雪松. 基于模塊化多電平的柔性直流輸電控制策略研究[D]. 成都：西南交通大學，2014.

[3]? 趙昕，趙成勇，李廣凱，等. 采用載波移相技術的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制[J]. 中國電機工程學報，2011，31（21）：48-55.

[4] 王姍姍，周孝信，湯廣福，等. 模塊化多電平HVDC輸電系統子模塊電容值的選取和計算[J]. 電網技術，2011（1）：26-32.

[5] 屠卿瑞，徐政，管敏淵，等. 模塊化多電平換流器環流抑制控制器設計[J]. 電力系統自動化，2010，34（18）：57-61，83.

作者簡介

鄧雪松（1988-），男;學歷：碩士，職稱：工程師，現就職單位：國網四川省電力公司樂山供電公司，研究方向：電力規劃與前期管理，柔性直流輸電控制。