不平衡电网电压下抑制MMC子模块过电压的调制比设计方法.pdf

第 43 卷 第 8 期2023 年 8 月电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol.43 No.8Aug.2023不平衡电网电压下抑制MMC子模块过电压的调制比设计方法王鋆鑫，杨玉坤，许建中（华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）摘要：模块化多电平换流器（MMC）在调制比为1.414的稳态运行条件下，子模块电容电压波动的基频分量将被抑制到0；但在电网电压不平衡时基频分量会变大，导致子模块电容电压波动显著增加。为抑制电网电压不平衡时的电容电压波动，基于桥臂功率分析了稳态和电网电压不平衡条件下子模块的电压波动特性，提出了一种适用于混合型MMC的调制比设计方法，该方法以桥臂瞬时功率的基频分量为抑制目标，综合考虑了不平衡电网电压下的三相子模块电压波动特性，通过改变直流电压指令值从而改变运行调制比，避免了故障时子模块发生过电压的情况。在PSCAD中搭建混合型MMC模型，通过对3种电网电压不平衡工况进行仿真分析，验证了所提方法的有效性。关键词：混合型MMC；不平衡电网电压；电容电压波动；调制比中图分类号：TM46 文献标志码：ADOI：10.16081/j.epae.2022120070 引言模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）具有高度模块化、谐波含量小、开关损耗低、冗余配置简单等优点，已成为高压大功率场合中的首选换流器拓扑，在柔性直流输电、海上风电并网、异步电网互联等领域具有广泛的应用价值。针对MMC在稳态运行条件下的控制策略研究目前已十分成熟。然而，当电网电压不平衡时，MMC的控制策略将变得复杂，电网电压不平衡导致的一系列问题也需引起重视，如风电、光伏等新能源经柔直系统并网问题以及发生交流故障时的故障穿越问题等。因此，适用于电网电压不平衡条件下的控制策略研究受到国内外学者的关注13。当电网电压不平衡时，MMC交流侧会产生功率波动，同时直流侧也会出现二倍频波动。文献 4 提出了一种直流电压纹波抑制控制器来抑制直流电压波动。文献 5 提出了一种模型预测控制方法来抑制直流电流波动。文献 6 研究发现在不平衡电压条件下，MMC中存在正序、负序和零序环流，采用双矢量电流控制器可以减小交流侧不平衡电压下的有功功率纹波。针对交流电网不平衡，文献 7 提出一种无需正负序分离和坐标变换的分相控制的环流抑制策略，从而抑制桥臂环流及直流电流的脉动。上述文献只关注了电网电压不平衡时直流侧的振荡，但是由于负序电压和负序电流的产生，子模块的电容电压波动也会显著增加89。子模块的电压波动与器件的安全运行以及MMC的占地面积和成本有关10，因此还需对电网电压不平衡时子模块电容电压波动的抑制方法展开研究。文献 11 研究了在电网电压不平衡情况下，环流注入对减小电容储能的作用。文献 12 分析了电网电压不平衡时MMC子模块电容电压的波动特性，进一步分析了3次谐波注入对子模块电压波动的影响，重新设计了3次谐波电压注入的幅值和相角，使其能在不平衡工况下有效实现降低电压波动的目标。文献 13 推导了电网电压不平衡条件下的桥臂电压表达式，优化环流注入的参数以降低子模块电容电压波动。上述文献主要是基于半桥型模块化多电平换流器（half-bridge MMC，HB-MMC）对电网电压不平衡情况下的子模块电容电压波动特性进行分析，对于混合型MMC在电网电压不平衡情况下的特性还需进一步分析。HB-MMC结构简单、成本较低，但是其无法清除直流侧故障后的短路电流；而全桥型模块化多电平换流器（full-bridge MMC，FB-MMC）具有直流故障自清除能力，且全桥子模块（full-bridge sub-module，FBSM）可以输出负电平，拥有更灵活的调制范围，但是FB-MMC成本较高，少用于实际工程。由半桥和全桥子模块构成的混合型MMC兼具以上2种拓扑的优势，更具应用前景，近年来逐渐应用于实际工程中。目前对于混合型MMC，一个重要的研究方向是在稳态条件下，通过控制策略降低子模块的电容电压波动，从而减小对电容容值的需求，实现轻型化14。但有研究发现，在电网电压不平衡的条件下，电容电压波动的基频分量会显著增加，这会导致子收稿日期：20220711；修回日期：20220921在线出版日期：20221212基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2020MS003）Project supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities（2020MS003）电 力 自 动 化 设 备第 43 卷模块电容有过电压的风险，造成半导体器件和电容器的损坏15。电力系统中常见的电压不平衡表现为网侧接地短路故障导致的电压跌落，MMC应对各种类型电压跌落的能力成为其稳定运行的关键要求。因此，有必要对混合型MMC在电压跌落情况下电容电压的波动特性以及抑制方法进行研究。本文首先介绍了稳态时子模块的电容电压波动特性，并以单相接地（single-line-to-ground，SLG）故障为例，分析了电网电压不平衡时的电压波动特性。结果发现，电网电压不平衡会导致电容电压波动显著变大。据此，本文提出了在电网电压不平衡时抑制子模块电容电压波动的混合型MMC调制比设计方法，并给出了调制比的选取范围，此外，还进行了电流应力的影响分析。最后，在PSCAD上搭建了混合型MMC仿真模型，验证了所提方法的有效性。1 混合型MMC电容电压波动特性1.1稳态桥臂功率模型图1为混合型MMC拓扑。上、下桥臂各有N个子模块，各包含l个半桥子模块（half-bridge sub-module，HBSM）、n个全桥子模块。图中：ui、isi（i=a，b，c）分别为阀侧交流相电压、相电流；upi、uni和 ipi、ini分别为上、下桥臂电压和桥臂电流；Udc为直流侧电压；Idc为直流侧电流；Larm为桥臂电感；T1 T6和D1 D6分别为子模块的绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）和二极管；UC1、UC2分别为半桥和全桥子模块电容C1、C2的电压。MMC稳态运行时，三相对称，下面以a相为例进行推导。以图1中标注的电压、电流方向为正方向，根据基尔霍夫电压定律，上、下桥臂电压upa和una如式（1）所示。upa=Udc21-msin(t)una=Udc21+msin(t)（1）式中：为系统角频率；m为MMC的电压调制比，其表达式见式（2）。m=2UmUdc（2）式中：Um为阀侧交流相电压ui的幅值。设Im为阀侧交流相电流幅值，为功率因数角，不考虑损耗，直流侧功率和交流侧功率应该相等，即满足功率守恒，如式（3）所示。UdcIdc=32UmImcos（3）结合式（2）和式（3），交、直流侧电流有如下关系：Idc=34mImcos（4）根据式（4），a相上、下桥臂电流可分别表示为：ipa=Im2 m2Imcos+12Imsin(t-)ina=Im2 m2Imcos-12Imsin(t-)（5）a相上、下桥臂的瞬时功率可以通过式（1）和式（5）相乘得到，即：ppa=upaipapna=unaina（6）将式（6）展开，可得a相上、下桥臂瞬时功率的具体表达式分别为：ppa=UdcIm4-m2cos 2sin(t)+sin(t-)+m2cos(2t-)pna=UdcIm4 m2cos 2sin(t)-sin(t-)+m2cos(2t-)（7）由于子模块电容电压波动与桥臂功率波动具有一致性，如果可以对功率波动进行抑制，则可以同时抑制子模块电容电压波动16。通过式（7）可以看出，桥臂功率波动主要是由基频和二倍频分量构成，当m=1.414时，可以完全将基频分量抑制到0。1.2不平衡电网电压下桥臂功率模型电力系统中常见的电网电压不平衡情况表现为接地短路故障导致的电压跌落，包括单相短路、两相短路以及三相短路。因此，网侧相电压 ugi可以表示为：图1混合型MMC拓扑Fig.1Topology of hybrid MMC第 8 期王鋆鑫，等：不平衡电网电压下抑制MMC子模块过电压的调制比设计方法 uga=xkUmsin(t+)ugb=ykUmsin(t+-120)ugc=zkUmsin(t+120)（8）式中：x、y、z为电网电压跌落系数，取值范围为01，表征电网电压跌落的程度；k为变压器变比；为变压器移相角，一般为30。电网电压跌落时，网侧三相电压通过式（9）进行分解，可得a相电网电压对应的正序分量17u+ga、负序分量u-ga和零序分量u0ga分别为：u+gau-gau0ga=131 21 2111ugaugbugc（9）式中：=e-j120。当发生交流故障导致电网电压不平衡时，MMC一般会投入负序电流抑制策略，此时线路中负序电流被抑制为0，同时为了阻断零序电流通路，阀侧换流变通常采用Y接线，阀侧交流电压仅包含正序和负序分量。因此，阀侧交流电压可以表示为：ua=U+amsin(t+)+U-amsin(t+-)ub=U+bmsin(t+)+U-bmsin(t+-)uc=U+cmsin(t+)+U-cmsin(t+-)（10）式中：U+im、U-im分别为正序电压和负序电压幅值；+、-和+、-以及+、-分别为正、负序三相电压的相角。混合型MMC的控制框图如附录A图A1所示。控制系统由交流参考电压控制器和环流抑制控制器两部分组成。交流参考电压控制器包括正序和负序闭环控制器18。id_refp和iq_refp分别为正序电流参考值的d、q轴分量，通过dq逆变换产生正序交流参考电压ei_refp；id_refn和iq_refn分别为负序电流参考值的d、q轴分量，通过dq逆变换产生负序交流参考电压ei_refn。环流抑制控制器通过二倍频环流参考值的d、q轴分量i2fd_ref、i2fq_ref 生成共模电压参考值Uciri_ref。以a相发生SLG故障为例进行具体分析。根据式（8）和式（9），发生故障后，阀侧交流电压的正序和负序分量分别为：u+a=23Um sin(t)u+b=23Um sin(t-120)u+c=23Um sin(t+120)（11）u-a=13Um sin(t-120)u-b=13Um sin(t)u-c=13Um sin(t+120)（12）此时，阀侧三相上桥臂交流电压 upi_f可以表示为：upa_f=12Udc-23Um sin(t)-13Um sin(t-120)upb_f=12Udc-23Um sin(t-120)-13Um sin(t)upc_f=12Udc-Um sin(t+120)（13）为了避免 SLG 故障期间上桥臂过电流，导致换流阀闭锁，传输功率需要降低 1/3 的额定功率。如果此时直流电压保持不变，那么直流电流也会减小1/319。由于直流电流小于额定值，这就为MMC提供了一个额外的自由度去改变调制比。此时，直流电流Idc_f为：Idc_f=12mImcos（14）通过观察式（13）可以发现，a相发生 SLG 故障后，c相的上桥臂电压与故障前保持一致，因此，流经c相的直流电流与稳态时相同。直流电流在三相中的分布Idci_f 如式（15）所示。Idca_f=a14mIm cos Idcb_f=b14mIm cos Idcc_f=14mIm cos（15）式中：a和b分别为a、b两相的直流电流分布系数，其满足式（16）所示关系式。a+b=1（16）此时，三相上桥臂电流ipi_f 为：ipa_f=a14mIm cos+Im2sin(t-)ipb_f=b14mIm cos+Im2sin(t-120)ipc_f=14mIm cos+Im2sin(t-+120)（17）将式（13）和式（17）代入式（6），可得故障时三相上桥臂的瞬时功率表达式，具体表达式见附录 A式（A1）。为了保持MMC系统稳定，子模块电容不能无限充电，因此式（A1）中上桥臂