特高压mmc环流抑制策略

2019年11月Power Electronics

Vol.53, No. 11November 2019

特高压MMC环流抑制策略

李

鹏

1，崔玉2,孔祥平\\刘裕桦3

(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研宄院，江苏南京211103;

2.国网江苏省电力有限公司，江苏南京210024; 3.上海九洲信息技术有限公司，上海201203)摘要：我国目前己经开始规划±800 kV特高压柔性直流输电系统，这种高压大容量换流器相间环流造成的损耗 成为不可忽视的问题。为了抑制桥臂环流，提出了一种通过控制桥臂电感压降进而抑制环流的方法。该方法直 接应用于阀基控制器，根据环流的流向增减子模块的投切个数，进而将环流抑制在限定范围以内，降低换流器 损耗。搭建了 PSCAD仿真系统以及9电平10 kW实验样机，对所提环流抑制策略进行验证，证明了该策略可 以有效抑制换流器的相间环流。关键词：换流器；阀基控制器；环流抑制中图分类号:TM46

文献标识码：A

文章编号：1000-100X(2019)11-0004-02

Circulating Current Suppression Strategy of Ultra-high Voltage MMC

LI Peng', CUI Yu2, KONG Xiang-ping1, LIU Yu-hua3

({.State Grid Jiangsu Electric Power Co. t Ltd., Research Institute f Nanjing 211103, China)

Abstract: At present, China has begun to plan ±800 kV ultra_high voltage flexible direct current transmission system. The losses caused by the inter-phase circulation of high voltage and large capacity converters can not be ignored. In order to suppress the circulating current of each arm, a method of suppressing the circulating current by controlling the inductance voltage drop is proposed.This method is directly applied to the valve-based controller, which increases or decreases the number of switching sub-modules according to the flow direction of the circulating current, and then suppresses the circulating current within a limited range to reduce the converter loss.A PSCAD simulation system and a 9-level 10 kW experimental prototype are built to verify the proposed circulating current suppression strategy, which proves that the strategy can effectively suppress the inter-phase circulating current of the converter.Keywords ： converter ； valve-based controller ； circulating current suppression Foundation Project ： Supported by Technology Program of SGCC(N〇.5210EF180013)

l引言

个数，进而将环流抑制在限定范围以内，降低换流 器损耗。在阀基控制器中即可实现上述控制，无需

复杂控制，并且可以对各次环流进行抑制。

模块化多电平换流器（MMC)凭借其谐波含量

少、损耗低、易于扩展等优点[11，自2001年德国慕 尼黑联邦国防军大学提出该拓扑结构后便成为了 国内外研宄热点p_3]，在高压直流输电方面具有广 阔的应用前景w。随着柔性直流系统传输容量及 电压等级的不断提高，如何对其进行高效地抑制 成为柔性直流输电系统的热点问题'

传统环流抑制策略绝大多数都是在站基控制 器中实现，采用分解并解耦的方法，这种方法 运算较为复杂，且只能针对二次环流进行抑制。

此处采用控制桥臂电感压降的方法来实现环 流抑制。根据环流的流向合理增减子模块的投切 * 4

基金项目：国家电网公司科技项目（5210EF180013)定稿日期：2019-03-06

作者简介：李鹏（1982-),男，陕西西安人，博士，高级工 程师，研究方向为柔性直流输电系统。

2 MMC环流产生原理

MMC由6个桥臂构成，如图1所示。

图1 MMC主电路

Fig. 1 Main circuit of MMC

4

特高压MMC环流抑制策略

各桥臂由/V个子模块（SM)与桥臂电感L组 成，通过投入和切除SM,在交流端口处实现对交 流电压的拟合。所以各个桥臂可以等效成可控电 压源。其中，〜乂分别为x相电压和电流

增加a相投入的SM数量，反之，减少a相投入的

SM数量。为保证交流端口输出电压波形不变,a相 上、下桥臂应同时投入或切除相同数量的SM。

基于上述原理进行环流抑制，控制流程如下。首先采用经典环流计算方法提取换流器各相 二次环流具体方法不再赘述。判断 是否超过了整定值;若未超过，环流控制器不投 入，退出运行；反之，则应根据4的方向来进行 SM的投切，对环流进行抑制。以a相为例：①当^正向越限时，则a相上、 下桥臂同时投入1个子模块，以升高使dij 出为负降低；②当idlB负向越限时，则a相上、 下桥臂同时切除1个子模块，以降低Wm,使得 dL/dt为正，k升高。

当Ikl降至;f以下后，还原被投切的SM状态， 环流抑制器退出控制，防止子模块投切频率过高； 反之，保持被投切的SM状态，继续循环判断

C) 分别为X相上、下桥臂电流；tv, 分别

为;c相上、下桥臂电压；分别为直流电压和

直流电流；分别为SM电容电压和电流；UsM，

is„分别为SM电压和电流；C为

SM电容。

对a相桥臂电压进行分解，则有：

j^i/i/2-t/^sin (〇)〇«)

1 um= 1/^/2+ f/^in (w〇t)

式中：

为u.的峰值;对a相桥臂电流进行分解，则有：

tpa=/dc/3+(/am/2)sin(w〇«+im=IJ3-(IJ2)sm(〇jff+(p)式中：/„为i+.的峰值;

为相位角。

a相桥臂实际功率可以表示为：Pa=«petpa+Wnai™.

将式（1)，（2)代入得：

Pa= t/i/dc/3 - ( t/an/an/2 ) COS^+ ( U J

(3)是否超过;f。上述环流抑制方法在阀基控制器内 实现，与站基控制器不产生关系，无需分解、 解耦等步骤，降低了站控芯片的运算压力。因其实

质是对环流斜率进行控制，所以可以抑制各次环 流，使用较为灵活。但对于极特殊的工况（调制比 为1)，无法实现上、下桥臂同时投切SM,环流抑 制会对交流端口电压产生〇.5ue的影响，但对高电 平数的特高压大容量换流器可以忽略。

J 2 ) COS ( 2〇)(f+(p ) ( 4 )

式（4)中第1项为直流注入换流器功率的1/ 3;第2项为a相注入换流器有功功率，即三相交 流注入换流器有功功率的1/3,为保持换流器有功

能量平衡，二者的代数和必须为零；第3项是一个 二倍频正弦量，根据第3项可求出其对应的二倍 频能量为：

lFa=[/>9/(6ft)〇)]sin(2a»〇£+^) (5)

同理，b，c相也可以用此方法进行推导，得出 三相桥臂二次能量波动是对称的，该能量波动会 在三相桥臂之间激发二次环流，进而造成换流器 内部损耗。

4仿真与实验

在PSCAD平台上搭建了容量为5 000MW的

4.1 仿真验证

±800 kV柔性直流输电系统，采用最近电平逼近调 制策略，仿真系统参数：直流母线电压为±800 kV， 网侧交流电压为750 kV，阀侧交流电压为800 kV， 各个桥臂 SM 个数为 200，C=8 000 |xF，i=100 mH, 额定功率为5 000 MW。环流抑制仿真结果如图2 所示，在3 s时刻启动环流抑制程序，环流被高效 抑制，其幅值不超过153 A，在Z=0.05Pu范围内。

3环流抑制策略

结合式（1 )，（2)，在考虑环流桥臂电感压降后，

有如下关系：

UfZLd^/dki/de-UjSM

u^t=up,+umo

(6)

式中：uu为a相上、下桥臂电感总压降相环流；

由式（6)可知，&与二次环流导数强相关，所 以可以通过控制^实现对二次环流的抑制。

当t/dc>~SM时，〜为正，L为增大趋势，增长 速度与化正相关；当

时

，化为负乂„■为减

图2

环流抑制仿真结果

小趋势，减小速度与^负相关。故根据k趋势，

可判断UaSM的大小，通过改变SM投切数目来改变 ^趋势，进而起到环流抑制作用。即

当

时

，

Fig. 2 Simulation results of circulating current suppression

(下转第8页）

5

第53卷第11期电力电子技术

2019年11月Power Electronics

Vol.53, No. 11November 2019

3 实验

通过所搭建的对拖系统，对提出的带角度补 偿的复系数PI解耦的方法进行了实验验证。如 图6所示，与复系数PI解耦和电流反馈解耦相 比，采用的带角度补偿的复系数PI解耦方法，具 有更好的动态性能和解耦性能。在g轴电流指令 发生200 A阶跃时W轴受影响最小，9轴的电流 动态性能最好。

〇■

<—1()()Y

、

pi

有阻抗耦合，控制延时角度滞后90°以上才会失 稳；没有角度滞后，阻抗耦合只会使电流环动态性

能变差，不会失稳；采用的带角度补偿的复系数 PI控制器，具有更好的解耦和动态性能，但由于 电机电感等参数的变化，无法做到完全解耦。

参考文献

[1 ]

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[2] Underwood，S J Husain I.Online Parameter Estimation and

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[3] Jinhwan Jung,Kwanghee Nam.A Dynamic Decoupling Con­

trol Scheme for High Speed Operation of Induction Mo- tors[J].IEEE Trans, on Industrial Electronics,2002,46(1)：

一 —解播

$

系数丨’丨解棋1?法电流反馈解耦灯法 赵系数pi解稱好乂>.

0.02 0.04 0.06 0.08 0.02 0.04 0.06 0.08

(a~轴阶跃指令^电流响应对比（b)v轴阶跃指令电流响应对比

图6实验波形

Fig. 6 Experimental waveforms

4结论

100-110.

[4] 吴荒原，王双红，辜承林，等.内嵌式永磁同步电机改

进型解耦控制[J].电工技术学报，2015,30(1 ):30_37.

在对电流环复系数传递函数的推导分析基础

上，得出以下结论：电流环失稳，是在高转速和低 载波比的情况下，由于电流环带宽限制，在PMSM 阻抗耦合和数字控制延时共同作用下发生的。没

(上接第5页）

[5] F Briz,M W Degner,R D Lorenz.Analysis and Design of Current Regulators Using Complex Vectors[J].IEEE Trans, on Industry Applications, 2000,36(3 )： 817-825.

和桥臂电感压降的关系提出了一种在阀基控制器 内实现的环流抑制策略，无需分解及解耦等

复杂的控制，即可高效抑制环流。在PSCAD中建 模仿真，并搭建了单端实验样机，二者结果大致相 同，验证了所提环流抑制方法的有效性，并且能够 应用于实际直流系统。

4.2 实验验证

搭建了 9电平〗0 kW单端柔性直流MMC实 验样机，采用载波移相调制策略，直流母线电压

为±400 V，网侧、阀侧交流电压均为380 V，各个 桥臂的SM个数为8，C=3 000 jxF,[=10mH,额定 功率为10 kW。如图3所示，系统稳定运行时，环 流峰值约为2.15 A，一段时间后，启动环流抑制程 序，环流含量迅速降低，其幅值不超过0.8 A，在 X=0.05pu范围内。且a相环流基本与PSCAD波形 成镜像关系，衰减趋势大致相同，进一步验证了所 提方法的有效性。

S/V0//参考文献

[1]徐政.柔性直流输电系统[M].北京：机械工业出版

社，2016.

P]李兴源，曾琦，王渝红.柔性直流输电系统控制研宄

综述m.高电压技术，2016,42(丨0): 3025-3037.

[3] Sharma R,Wu Q W,Cha S T,et al.Power Hardware in

the Loop Validation of Fault Ride Through of VSC- HVDC Connected Offshore Wind Power Plants [J].Jour­nal of Modem Power Systems and Clean Energy,2014, 2(l)：23-29.

，/( 10 ms/格）

图3

环流抑制实验结果

[4] 阳岳希，贺之渊，周杨，等.厦门±320 kV柔性直流

输电工程的控制方式和运行性能[J].智能电网，2016,

Fig. 3 Experimental results of circulating current suppression

4(3)：229-234.

[5] 李笑倩，刘文华，孙树敏，等.利用环流的MMC电容电

压波动抑制方法[J].电力电子技术,2018,52(11) :30-

5结论

首先分析了 MMC环流产生的原因，依据环流

8

32,74.