新型MMC-HVDC控制策略的研究*

陳 莉， 陳 乾， 陳 劍， 代高富

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 210031

新型MMC-HVDC控制策略的研究*

陳 莉， 陳 乾， 陳 劍， 代高富

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 210031

MMC-HVDC系統(tǒng)的核心功能是對有功功率和無功功率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)換流站直接功率的輸送。從MMC-HVDC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了dq坐標(biāo)系下的有功和無功解耦控制器，實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制，并在PSCAD環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

模塊化多電平換流器； 高壓直流輸電； 解耦控制

1 MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為雙端MMC-HVDC(模塊化多電平換流器-高壓直流輸電)系統(tǒng)單線圖，圖2所示為系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D。兩個(gè)交流系統(tǒng)的電能輸送依靠兩個(gè)背靠背的MMC換流站和中間的直流線路完成，每個(gè)MMC換流站的各相橋臂由若干個(gè)子模塊級聯(lián)構(gòu)成，子模塊的數(shù)量越多，能夠承受的輸電電

壓等級就越高。這種新型拓?fù)湓诟邏褐绷鬏旊婎I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。

圖1 雙端MMC-HVDC系統(tǒng)單線圖

圖2 MMC-HVDC系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D

2 MMC-HVDC數(shù)學(xué)模型

由于MMC-HVDC系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)結(jié)構(gòu)相同，以整流側(cè)為例推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型。圖3是忽略橋臂損耗情況下整流側(cè)MMC等效電路圖。

根據(jù)圖3列出基爾霍夫方程，得到三相靜止坐標(biāo)系下的MMC數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：L=Ls+Lm/2。

圖3 MMC-HVDC整流側(cè)等效電路圖

在三相靜止坐標(biāo)系下，各個(gè)電氣量均為交流量，不利于得到有功分量和無功分量。為此，需要將上述模型轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下，得到相應(yīng)的直流量，這樣利于解耦控制器的設(shè)計(jì)。三相abc坐標(biāo)系到兩相dq坐標(biāo)系的變換矩陣為：

(2)

對式(1)進(jìn)行式(2)所示的坐標(biāo)變換，可以得到dq坐標(biāo)系下的MMC數(shù)學(xué)模型：

(3)

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，abc靜止坐標(biāo)系下?lián)Q流站與交流系統(tǒng)的有功功率和無功功率為：

(4)

轉(zhuǎn)換到dq同步坐標(biāo)系下，有功功率和無功功率可表示為:

(5)

選擇d軸與電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)向量重合，即usq=0，可以簡化計(jì)算，將式(5)改寫為：

(6)

3 dq坐標(biāo)系下解耦控制器的設(shè)計(jì)

dq坐標(biāo)系下的解耦控制器是電壓源換流器領(lǐng)域的一種經(jīng)典控制方法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種控制器由外環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器構(gòu)成，外環(huán)控制器用于實(shí)現(xiàn)有功和無功分量的控制，輸出量是內(nèi)環(huán)電流控制器需要的參考電流值。內(nèi)環(huán)電流控制器則是跟蹤電流參考值，輸出換流器需要的輸出電壓參考值，即調(diào)制波，最后通過均壓調(diào)制得到PWM(脈沖寬度調(diào)制)觸發(fā)脈沖。

圖4 一端換流站直接電流控制原理圖

3.1 外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

MMC-HVDC系統(tǒng)中外環(huán)控制器的作用是根據(jù)有功功率、無功功率及直流電壓參考值計(jì)算出內(nèi)環(huán)電流控制器需要的電流參考值idref、iqref。外環(huán)控制器主要分為定有功控制、定無功控制和定直流電壓控制[6-7]。

定有功控制的原理是將給定的有功功率參考值Pref與實(shí)際測得的有功功率P比較，經(jīng)過PI(比例積分)控制器形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對交流系統(tǒng)和換流站之間的有功輸送，控制器的輸出是內(nèi)環(huán)控制器d軸參考電流idref。定無功控制的原理與定有功控制相似，將系統(tǒng)無功功率的測量值Q與給定的無功功率參考值Qref比較，經(jīng)過PI控制器實(shí)現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)，控制器的輸出是內(nèi)環(huán)控制器q軸參考電流iqref。為了穩(wěn)定直流母線電壓，需要定直流電壓控制器[8]，其原理是將給定的直流母線電壓參考值udcref和實(shí)際測量得到的直流電壓值比較，通過PI控制器來調(diào)節(jié)直流母線電壓，從而實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定[9-10]，控制器的輸出是內(nèi)環(huán)控制器d軸參考電流idref。三種控制器的控制框圖如圖5所示。

圖5 外環(huán)控制器控制框圖

3.2 內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

由式3所示dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以看出，由于耦合電感的存在，d、q軸電壓含有電流交叉耦合量ωLiq、ωLid，這不利于對有功功率和無功功率進(jìn)行獨(dú)立控制。為了消除d、q軸之間的耦合，可以將式(3)改寫為：

(7)

式中：Rid+Ldid/dt、Riq+Ldiq/dt分別與id、iq構(gòu)成一階微分關(guān)系，可通過PI控制器來實(shí)現(xiàn)。引入電壓耦合補(bǔ)償項(xiàng)ωLid、ωLiq及電壓前饋分量usd、usq，可以得到換流器在d、q軸的參考電壓信號：

(8)

根據(jù)式(8)，得到如圖6所示的MMC內(nèi)環(huán)電流控制結(jié)構(gòu)圖。

圖6 MMC內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

4 仿真分析

為驗(yàn)證上述dq坐標(biāo)系下解耦控制策略的正確性，在PSCAD/EMTDC中搭建了雙端MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型，其主電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。換流站MMC1端為整流側(cè)，采用定有功和定無功控制方式，換流站MMC2端為逆變側(cè)，采用定直流電壓和定無功控制方式。

圖7 連接有源網(wǎng)絡(luò)的MMC-HVDC仿真模型

主電路結(jié)構(gòu)模型的仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

項(xiàng)目設(shè)定值橋臂子模塊數(shù)20橋臂電感/mH10子模塊電容/μF4000網(wǎng)側(cè)線電壓有效值/kV35直流側(cè)電壓/kV60開關(guān)頻率/Hz2000交流電壓頻率/Hz50系統(tǒng)容量/MVA60直流電纜長度/km10

4.1 功率階躍響應(yīng)

為驗(yàn)證MMC-HVDC系統(tǒng)的功率階躍響應(yīng)特性，仿真設(shè)置t=0.5s時(shí)，MMC1端向MMC2端輸送有功功率參考值從0.8pu階躍到0.4pu；在t=0.8s 時(shí)，MMC1端向MMC2端輸送無功率參考值從0階躍到0.3pu。所得到的仿真波形如圖8所示。

由圖8可以看出，控制系統(tǒng)對有功功率和無功功率的跟蹤效果較好，在t=0.5s時(shí)，MMC1換流站向MMC2換流站輸送的有功功率從0.8pu階躍到0.4pu，有功功率經(jīng)過0.1s的短暫調(diào)整跟蹤到新的指令值，并且MMC2換流站的有功功率也從-0.8pu 階躍到-0.4pu。在t=0.8s時(shí)，MMC1換流站向MMC2換流站輸送的無功功率從0階躍到0.3pu，無功功率得到了很好的跟蹤控制。并且，在有功功率階躍時(shí)，無功功率有少許波動；在無功功率階躍時(shí)，有功功率也出現(xiàn)了一些波動；兩種情況下的波動都沒有超過10%?？傮w而言，dq坐標(biāo)系下的解耦控制可以實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立控制。

圖8 功率階躍響應(yīng)仿真結(jié)果

由圖8還可以看出，在功率階躍變化時(shí)，子模塊電容電壓出現(xiàn)波動，這是由于功率變化時(shí)，電容電壓會進(jìn)行充放電，引起了電容電壓的波動。MMC2側(cè)采用定直流電壓控制方式，直流母線電壓維持在60kV，在功率階躍時(shí)有一些波動，但波動范圍沒有超出±1kV，并且很快恢復(fù)穩(wěn)定。此外，當(dāng)功率階躍變化時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流會發(fā)生相應(yīng)的改變，而電流電壓基本不變，這是因?yàn)楣β实妮斔褪峭ㄟ^電流的改變完成的，電壓則保持恒定。

4.2 潮流翻轉(zhuǎn)響應(yīng)

MMC-HVDC系統(tǒng)能量可以雙向流動，為驗(yàn)證潮流翻轉(zhuǎn)響應(yīng)特性，仿真設(shè)置在t=0.5s 之前，MMC1換流站向MMC2換流站輸送有功功率0.4pu、無功功率0.2pu；在t=0.5s時(shí)，有功功率開始反送，MMC2換流站向MMC1換流站輸送有功功率0.4pu；在t=0.8s時(shí)，無功功率開始翻轉(zhuǎn)，MMC2換流站向MMC1換流站輸送無功功率0.3pu。圖9給出了潮流翻轉(zhuǎn)的仿真結(jié)果。

由圖9可以看出，有功功率和無功功率在翻轉(zhuǎn)時(shí)，MMC1換流站經(jīng)過短暫的調(diào)整時(shí)間跟蹤到了指令值，并很快恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)超調(diào)量較小，響應(yīng)速度較快，實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制。MMC2換流站在無功功率發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，有功功率波動比較大，經(jīng)過0.3s的輕微震蕩恢復(fù)穩(wěn)定，這是由于MMC2側(cè)采用定直流電壓控制、潮流翻轉(zhuǎn)電容充放電造成的，最終系統(tǒng)還是實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制。

由圖9還可以看出，在潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)，MMC1換流站A相上橋臂子模塊電容電壓也會進(jìn)行充放電，電壓從而發(fā)生波動，但經(jīng)過短暫的調(diào)整時(shí)間恢復(fù)了穩(wěn)定，波動范圍在10%以內(nèi)。此外，潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)，電壓極性沒有發(fā)生改變，且直流電壓的波動也很小，波動范圍沒有超出±2kV。

4.3 直流電壓階躍響應(yīng)

MMC1換流站向MMC2換流站輸送的有功功率為0.8pu，無功功率為0，為了驗(yàn)證直流電壓發(fā)生階躍變化時(shí)MMC-HVDC系統(tǒng)的響應(yīng)特性，在t=0.5s時(shí)，直流電壓從60kV階躍到65kV，圖10給出了系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

圖9 潮流翻轉(zhuǎn)響應(yīng)仿真結(jié)果

圖10 直流電壓階躍響應(yīng)仿真結(jié)果

由圖10可以看出，直流母線電壓從60kV提高到65kV時(shí)，MMC1換流站的有功功率、無功功率、d軸電流和q軸電流基本不受影響，僅出現(xiàn)了微小的波動，MMC2換流站的無功功率、q軸電流在直流電壓變化時(shí)也基本不受影響。由于MMC2換流站采用定直流電壓和定無功控制方式，有功功率和d軸電流出現(xiàn)了小幅波動，但迅速回到了目標(biāo)值。在t=0.5s 直流電壓提高時(shí)，MMC1換流站A相上橋臂子模塊電容也開始充電，即相應(yīng)增大，但并沒有影響子模塊電容電壓的均衡。所以，直流電壓的階躍變化不會影響兩個(gè)換流站有功功率和無功功率的輸送。

5 結(jié)論

筆者根據(jù)MMC-HVDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了三相靜止坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了基于dq坐標(biāo)系的解耦控制策略，最后在PSCAD/EMTDC平臺搭建了仿真模型，分析了功率階躍、潮流翻轉(zhuǎn)及直流電壓階躍三種工況下的響應(yīng)特性。

(1)dq坐標(biāo)系下的解耦控制器可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，具有良好的解耦特性。

(2) 在功率變化時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，可以很快跟蹤到指令值，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。

(3) 兩個(gè)換流站之間的能量可以雙向流動，直流電壓的極性不發(fā)生改變。

(4) 直流電壓的變化并不影響有功功率和無功功率的輸送。

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Core function of MMC-HVDC system focuses on the control of active power and reactive power in order to realize the direct power transmission at converter station. The MMC-HVDC mathematical model was derived from the structure of MMC-HVDC system while the decoupling controllers for active and reactive power were designed in thedqcoordinate system and a simulation demonstration was carried out under PSCAD environment.

MMC； HVDC； Decoupling Control

*江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實(shí)踐培訓(xùn)項(xiàng)目(編號： 2016QYSJ036)

2016年7月

陳莉(1985— )，女，碩士，助教，主要研究方向?yàn)殍F道供電技術(shù)。 E-mail： 552008231@qq.com

TM72

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1674-540X(2016)03-015-06