發布日期：2022-04-26 點擊率：136
關鍵詞： MMC 模塊化多電平變流器
摘要：本文論述了一種有效的模塊化多電平變流器（Modular Multilevel Converter，簡稱MMC）換流器基于準PR的環流抑制控制策略。此環流抑制策略在工程能夠有效地減少MMC變流器閥組的二次環流，并且對系統參數影響很小，適應性強。經動模仿真結果表明：此環流抑制控制策略是有效的。
1 引言
隨著風電、光伏等分布式能源的廣泛應用和智能電網的發展，柔性直流輸電技術發展迅速。從傳統的兩電平電壓源換流器拓撲到中性點鉗位(NPC)的三電平拓撲，再到模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，簡稱MMC)在世界范圍內都得到了廣泛的研究和試驗。尤其是最近，MMC技術在VSC-HVDC領域有著更大的吸引力。這種結構能夠通過增加子模塊數來靈活的適應電壓和功率等級，而且MMC能降低開關頻率，較大降低系統損耗，電壓畸變小，從而不需要濾波器，使得MMC技術的優勢非常明顯。
2 MMC環流產生原理及控制策略
MMC拓撲結構由六個橋臂構成，其中每個橋臂由N個相互連接且結構相同的子模塊與一個電抗器L串聯構成，上下兩個橋臂構成一個相單元。六個橋臂具有對稱性，即各子模塊的參數和各橋臂電抗值都是相同的。其結構如圖1所示。
換流器中的單元并聯于直流側母線上，在運行時每個相單元產生的直流電壓很難保持嚴格一致，因此就有環流在三個相單元間流動，MMC的各種控制方法，最終要通過控制三相6個橋臂各自的輸出電壓upj和unj來實現。為消除各相上、下橋臂電壓和的不一致性，在橋臂電壓upj和unj上同時減去一個大小等于ucirj的修正量，就可以抵消兩個串聯電抗器兩端之間的電壓，同時可間接控制換流器的內部電流icirj。由于這種修正是同時加載同相上下兩個橋臂上，因此它不會影響MMC的外部特性，即MMC輸出的電流電壓和電流不會改變。利用這一特性，設計相應的內部環流抑制控制器（Circulating Current Suppressing Controller，CCSC）。
滿足上述環流抑制控制器設計要求時的上、下橋臂電壓參考值為
式中，I2f為二倍頻環流峰值。
綜上所述，環流只存在于換流器內部，獨立于換流器外部所接電源或負荷。它是由各相上、下橋臂電壓之和彼此不一致引起的，且此環流為二倍頻負序性質，它在MMC三相橋臂間流動，對外部交流系統不產生任何影響。盡管橋臂電抗可以抑制環流大小，但是相單元間二倍頻負序環流的存在仍會使橋臂電流發生畸變，也會影響電容電壓的平衡控制，所以有必要采取適合的控制策略對電容電壓平衡和環流進行協同控制。
在整流、逆變的控制系統中電流控制的傳統控制方法采用坐標變換技術，將三相靜止坐標系下的電流電壓等正弦量轉化為同步旋轉坐標系下的直流量，然后分別對d、q軸分量采用PI控制。然而采用旋轉坐標系下的PI控制要經過Clark和Park變換，而且d、q軸分量存在耦合，為了達到良好的控制效果需要進行解耦控制，在實現中由于解耦不精確會對控制效果產生一定的影響。
PR控制器可以實現對交流輸入的無靜差控制。將PR控制器用于網側變換器的控制系統中，可在兩相靜止坐標系下對電流進行調節。可以簡化控制過程中的坐標變換，消除電流d、q軸分量之間的耦合關系，且可以忽略電網電壓對系統的擾動作用。此外，應用PR控制器，易于實現低次諧波補償，這些都有助于簡化控制系統的結構。
3、準PR控制策略分析
PR控制器，即比例諧振控制器，由比例環節和諧振環節組成，可以對正弦量實現無靜差控制，理想PR控制器的傳遞函數如下所示：
式中Kp為比例項系數，Kr為諧振項系數，ω0為諧振頻率。PR控制器中的積分環節又被成為廣義積分器，可以對諧振頻率的正弦量實現幅值積分。與PI控制器相比，PR控制器可以達到零穩態誤差，提高有選擇抵抗電網電壓的干擾能力。但是在實際系統應用中，PR控制器的實現主要存在以下兩個問題：
由于模擬系統元器件參數進度和數字系統精度的限制，理想PR控制器不易實現。
理想PR控制器在非基頻處增益非常小，當電網頻率產生偏移時，就無法有效抑制電網產生的諧波，會緩慢地發散，如圖2所示。
由于理想PR控制器無法在現實中實現，常用非理想PR控制器代替，非理想PR控制器的傳遞函數如下所示，式中ωc為準積分項的截止頻率，且ωc<<ω0,非理想pr控制器的波特圖如圖3所示，其中kp=1，kr=100，ω0=2*50π,ωc=0.001。< p="">
理想PR控制器在諧振頻率處的開環增益為無窮大，保證了輸入量的無靜差控制，在其他頻率處的開環增益主要由比例項系數Kp決定，非理想PR控制器在諧振頻率處的幅值雖然不至于無窮，但可以通過增大諧振項系數Kr來保證對輸入量的控制精度。
為抑制MMC內部的三相環流，在MMC內部環流數學模型的基礎上，采用準PR控制器直接控制換流器內部的三相兩倍頻環流，并設計了相應的環流抑制控制器，理論上可以完全消除橋臂電流中的環流分量，大大減小了橋臂電流的畸變成分，使其更逼近正弦波。根據以上分析，設計的相應控制器如圖4所示。
其中，虛線部分為類PR控制器，根據MMC內部環流數學模型及準PR參數分析，ωc= 5Hz，ω0=2πf=2×100πHz。Kp和kr分別表示控制器中比例積分環節的比例參數和積分參數。在加入環流抑制附加控制信號ucri_ref后，控制系統最終輸出上、下橋臂電壓參考信號upj_ref和Unj_ref，然后通過相應的調制算法生成全波子模塊的脈沖觸發實現換流器的閉環控制。經PSIM軟件仿真，ipa、ina、icira及ucira_ref的仿真波形如圖5所示，說明類PR控制器滿足MMC環流抑制要求。
4 結論
此控制策略通過動模試驗驗證，整個邏輯清晰，大大簡化控制系統，更易于數字系統實現，提高系統抗干擾能力，適應于整流、逆變的控制系統中電流控制算法。
參考文獻
[1]趙成勇.柔性直流輸電建模和仿真技術.北京：中國電力出版社，2014.
ZHAO Chenyong.Modeling andsimulation techniques ofVSC-HVDC system.Beijing: China Power Press, 2014
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