模塊化多電平換流器中環(huán)流的控制對直流電容電壓的影響

尹正清　蘭軍　高建虎

摘 要：以往對模塊化多電平換流器（modular multi-level converter，MMC）的研究中，大部分都強調(diào)MMC中環(huán)流存在的弊端，但本文分析了環(huán)流產(chǎn)生的原因，考慮到環(huán)流在三相之間能量平衡的作用，提出對環(huán)流進行控制，使MMC變得更加穩(wěn)定且減小MMC中直流電容電壓的波動，這對降低MMC成本具有重要意義。

關(guān)鍵詞：MMC；環(huán)流控制；直流電容電壓

中圖分類號： TM451+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）24-251-2

0 引言

MMC是由R.Marquardt于2001年首次提出，它具有以下優(yōu)點：模塊化的結(jié)構(gòu)，能夠運行于弱交流系統(tǒng)，不需要為其提供額外的無功補償設(shè)備，諧波含量少等[1～3]。

在對MMC的研究中，環(huán)流的研究占了很大比重。由于環(huán)流流經(jīng)六個橋臂，使橋臂電流不再是正弦的。環(huán)流的存在意味著子模塊的額定電流要相應(yīng)增加，但更重要的是能量在橋臂間的傳輸，如果不加控制，會因為能量的不平衡引起MMC的不穩(wěn)定。以往對環(huán)流的研究目的都是要把環(huán)流消除，沒有看到環(huán)流存在的意義，并提出一種環(huán)流的控制方法對環(huán)流進行利用。

1 MMC的數(shù)學(xué)模型

MMC由三個相單元組成，每個相單元由兩個臂單元組成，每個臂單元由N個串聯(lián)的功率子模塊串聯(lián)而成。每個子模塊包括兩個IGBT，一個旁路接觸器，一個SCR和一個直流電容組成。（圖1）

由MMC的結(jié)構(gòu)可得到如圖2所示的單相數(shù)學(xué)模型。其中為電網(wǎng)的相電壓，為電網(wǎng)的相電流，和為上橋臂的電壓和電流，和為下橋臂的電壓和電流，為直流母線電壓。

2 MMC環(huán)流產(chǎn)生的原因

假定交流系統(tǒng)的相電壓和線電流分別為：

則每相由電網(wǎng)傳輸?shù)組MC換流器的瞬時功率為

對該瞬時功率進行積分便得到MMC的每相從電網(wǎng)獲得的能量

從公式（3）可以看出每相的能量有一個二倍頻的波動分量，該二倍頻的直流電容電壓波動造成了三相之間環(huán)流的產(chǎn)生。

3 環(huán)流的控制

假定三相之間的環(huán)流為零，既內(nèi)部不平衡電流只有直流分量 。此時輸入上下橋臂的功率分別為：

對這兩個功率進行積分的到上下橋臂的能量：

從公式（5）中可以看出wah和wal中有二倍頻分量和基波分量，其幅值分別為 和 （為了方便這里按φ=π/2計算）。

現(xiàn)在引入的環(huán)流：

此時輸入上下橋臂的瞬時功率分別為

對公式（7）兩邊做積分處理，得到此時上下橋臂的能量為：

從公式（8）中可以看出此時上下橋臂的能量中具有基波和三次諧波的波動，幅值分別為 和 。同時在MMC中，Udc≈2U。顯然存在 ， 。因此，在加入 這一環(huán)流后，上下橋臂能量的波動都會減小，那么在上面的電容電壓的波動也會減小。

4 仿真驗證

為了驗證上述控制方法的有效性，本文在PSCAD/EMTDC平臺下建立了一個10kV、10MVA的MMC模型。整個MMC運行期間發(fā)出5MVar的無功功率，在8S之前采用將環(huán)流控制為0，在8S之后為把環(huán)流控制為 。圖3為a相上下橋臂電容器里的能量，圖4為a相所有電容器的能量。從圖中可以看出在加入環(huán)流后電容器中的能量波動明顯減小，這說明電容電壓的波動也會減小。

5 結(jié)論

當(dāng)環(huán)流為零時，電容電壓的波動并不是最小的，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，按照本文中的方法，加入特定的環(huán)流后能有效地減小電容電壓的波動。這樣在同樣電容電壓波動的條件下，就可以減小電容的容值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊曉峰，鄭瓊林.基于MMC環(huán)流模型的通用環(huán)流抑制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2012（18）：59-65.

[2] 楊曉峰，林智欽，鄭瓊林，游小杰.模塊組合多電平變換器的研究綜述[J].中國電機工程學(xué)報，2013（06）：1-15.

[3] 周月賓，江道灼，郭捷，梁一橋，胡鵬飛.模塊化多電平換流器子模塊電容電壓波動與內(nèi)部環(huán)流分析[J].中國電機工程學(xué)報，2012（24）：8-14.