基于MMC的二次諧波環(huán)流抑制器的設計

宋吉江 牛軼霞 朱榮俊

摘 要：MMC的環(huán)流只在橋臂內流通，造成功率的損耗和器件耐壓的增加，為抑制MMC橋臂環(huán)流，重新設計了基于MMC的二次諧波環(huán)流抑制器。該抑制器采用NLM調制算法，解決了多電平時CPS-SPWM功耗較高的問題，通過合理選擇硬件電路的參數(shù)，實現(xiàn)橋臂環(huán)流的抑制，通過單端21電平仿真模型驗證其有效性。

關鍵詞：MMC；環(huán)流抑制；二次諧波過濾器；NLM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.139

0 引言

智能控制技術的發(fā)展，帶來了輸、變、配電系統(tǒng)的變革[1-2]。尤其是MMC的出現(xiàn)，引領了電力系統(tǒng)發(fā)展的潮流，一舉突破了兩電平、三電平耐壓不高和功率提升困難的瓶頸問題，通過模塊化疊加的思路，從另一個角度實現(xiàn)了耐壓、功率的巨大提升，大力推動了直流輸電技術發(fā)展，然而解決問題的方法也伴隨著新的困難的出現(xiàn)，那就是控制的難度隨著模塊數(shù)目的增加，也變得更為復雜[3]。

橋臂環(huán)流是影響其穩(wěn)定的重要因素之一，是目前研究的重點。文獻[4]對二倍頻環(huán)流進行坐標變換，設計了比例積分（PI）控制器來消除環(huán)流。文獻[5]采用基于NLM調制方式，重新設計了PI環(huán)流抑制器。文獻[6]驗證了基于CPS-SPWM的二次濾波裝置的環(huán)流抑制效果，但使用載波調制增加了開關損耗。本文把NLM調制和二次諧波過濾器結合起來，設計了基于MMC的二次諧波環(huán)流抑制器，實現(xiàn)環(huán)流的抑制。

1 MMC環(huán)流的成因及影響

MMC子模塊電容級聯(lián)于橋臂中，各自分擔一部分直流電壓，通過電容數(shù)量的有機組合構建輸出的交流電壓，當電流在橋臂內流通時，因元器件制造工藝的差別，相同的元器件仍會有部分的差異，造成橋臂間的電壓很難保持一致，這就會引起電容電壓的波動，帶來環(huán)流的問題。環(huán)流在橋臂內流通，不僅會引發(fā)元器件發(fā)熱，增加系統(tǒng)損耗，還會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性構成影響。因此，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須進行環(huán)流抑制。

2 MMC二次諧波環(huán)流抑制器

MMC在正常工作時，環(huán)流以二次諧波為主，因此可以設想通過簡單的電感、電容諧振電路的方式濾除。由于環(huán)流只在各個相單元中流通，對外不以輸出電流的形式表示，參考ABB公司二次諧波濾除方式[6]，在每個相單元中接入諧波過濾器，以期達到環(huán)流抑制的效果。

該方式實現(xiàn)起來較為簡單，可以與當前的調制策略相匹配，圖1為MMC二次諧波過濾器結構，通過合理的選擇電感、電容參數(shù)，在基波條件下，實現(xiàn)電橋的平衡，這樣C0就沒有電流流過，對于二次諧波，通過諧振的方式將其濾除。

3 MMC環(huán)流抑制器仿真

為驗證設計的基于MMC二次諧波環(huán)流抑制器的有效性，搭建了單端21電平MMC-HVDC系統(tǒng)。算例的調制方式為NLM調制算法，外環(huán)功率控制采用定直流電壓和定無功功率控制，其設定值為320kV和-50Mvar。

圖2為A相橋臂環(huán)流，從圖中可以看出，a）未進行環(huán)流抑制，橋臂環(huán)流的主要成分為二倍頻環(huán)流，此時A相橋臂環(huán)流的峰峰值為0.5kA。b）為使用濾波器進行環(huán)流抑制，相比a）來說，二倍頻得到一定的程度的抑制，此時的環(huán)流峰峰值約為0.32kA。

圖3為A相上橋臂電流的諧波分析圖，上橋臂電流通過FFT變換后，提取出基波和各次諧波的含量，進行諧波分析，發(fā)現(xiàn)兩種情況下的THD曲線總體趨勢一致，在具體時刻上波形略有差別，具體表現(xiàn)為上橋臂的電流在啟動時的諧波畸變率（THD）啟動時較高，約在2.1%左右，啟動后迅速降低，經(jīng)過1.2S后，基于MMC的二次諧波環(huán)流抑制器基本濾除諧波，而未進行環(huán)流抑制的諧波始終維持在0.2%左右。

4 結論

本文分析了環(huán)流的成因，主要成分為二倍頻負序環(huán)流，環(huán)流疊加在橋臂中，導致波形畸變，無形中增大了系統(tǒng)的耐壓、功率損耗等指標，必須進行環(huán)流抑制。把二次諧波過濾器應用于模塊化多電平換流器中，結合NLM調制算法，解決了多電平時CPS-SPWM功耗較高的問題，同時合理選取硬件電路的參數(shù)，實現(xiàn)了橋臂環(huán)流的有效抑制。

參考文獻：

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作者簡介：宋吉江（1963-），男，山東煙臺人，教授，碩士生導師，研究方向：大功率電力電子變流器。