基于陷波器改進PIR的MMC環(huán)流抑制策略

王 通，段恩業(yè)，王 愛，匡艷普

(1.江蘇蘇鹽井神股份有限公司熱電分公司,江蘇 淮安 223200;2.江蘇蘇鹽井神股份有限公司,江蘇 淮安 223200;3.清河街道辦事處,江蘇 淮安 223001)

0 引言

伴隨高壓直流輸電技術的不斷完善,采用MMC(電網(wǎng)換相換流器)換流器的傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)十分完善。傳統(tǒng)高壓直流輸電適用于遠距離、大容量的輸電工程[1]。由電網(wǎng)換相換流器構成的高壓直流輸電系統(tǒng)具有建造成本低、功耗低、傳輸容量大等優(yōu)點,在實際應用中,高壓直流輸電系統(tǒng)在遠距離輸電中性能較好。其關鍵在于LCC-MMC換流器能夠實現(xiàn)遠距離輸電和電網(wǎng)互聯(lián)[2]。

目前,無論是針對MMC環(huán)流抑制還是故障控制策略等方面的研究取得了一定的成績,但是在對MMC中環(huán)流抑制策略的準確方面,還有待進一步的研究完善。文獻[3]在基本控制策略的基礎上,研究了附加控制策略,以改善系統(tǒng)對電壓不均問題的響應特性,整流側交流系統(tǒng)故障時整流側功率傳輸中斷的問題,以及逆變側交流系統(tǒng)故障時逆變側直流過電壓問題。在文獻[4]中,為了能夠解決系統(tǒng)逆變側的交流故障,主要利用了其運行的特點,開發(fā)出了一種能夠控制在過電壓觸發(fā)角的新策略,當交流系統(tǒng)在逆變側發(fā)生故障時,可以降低傳輸系統(tǒng)逆變側的過電壓。參考文獻[5]針對交流系統(tǒng)產(chǎn)生的穿越能力故障問題,通過提高其控制器的參數(shù),同時實現(xiàn)在交流電壓出現(xiàn)下降的情況下,實現(xiàn)實時針對系統(tǒng)的控制能力進行測試。文獻[6]針對直流線路出現(xiàn)的短路問題,提出了能夠在其出現(xiàn)短路故障的時候,直流電系統(tǒng)依然持續(xù)進行電力的傳輸。文獻[7]分析了各種情況下,混合直流輸電系統(tǒng)的控制策略。注重變頻器在各種工況下無阻塞安全的運行,提出了不間斷運行控制策略。

由于LCC-MMC換流器中存在環(huán)流,導致?lián)Q流器產(chǎn)生額外的損耗,橋臂電流波形因此會產(chǎn)生畸變,因此,本文提出一種基于陷波器的改進PIR控制器的環(huán)流抑制策略。

1 MMC相間環(huán)流機理分析

為了能夠抑制橋臂中的環(huán)流,首先應該分析MMC相間環(huán)流的機理。由于MMC是對稱結構,本文以A相為例進行分析,其等效電路如圖1所示,R為橋臂電阻,Larm為橋臂等效電感[8]。

圖1 MMC單相等效電路

根據(jù)基爾霍夫定理可以列出上下橋臂的電壓方程:

(1)

(2)

將等式(1)和(2)化簡,得到交、直流側的數(shù)學模型:

(3)

(4)

其中:Ea為A相的電動勢,iza為A相內(nèi)部電流,其方程如下:

(5)

橋臂電壓可表示為:

(6)

橋臂電流可表示為:

(7)

其中:j為功率因數(shù)角,m為電流調(diào)制比。

由此橋臂的瞬時功率可以表示為:

(8)

將上下橋臂功率分別積分相加得到A相瞬時功率的交流分量:

(9)

直流分量為:

(10)

但橋臂電流中不僅含有基波分量,還有2倍頻交流分量,為了能夠精確地計算出環(huán)流的大小,應該對式(6)進行改進為:

(11)

因此橋臂電流也存在一個2倍頻的交流分量,橋臂電流應表示為:

(12)

其中,U2f為2倍頻環(huán)流峰值。

對上、下橋臂電壓電流積分,可以得到交流電壓表達式,相電壓中包含一個4倍頻分量,另外還存在一個交流分量,根據(jù)改進的方程可以通過積分得到其能量。通過計算可以得出:環(huán)流電流僅存在偶數(shù)次諧波,6n-4次是負序諧波,6n-2次是正序諧波,6n次是零序諧波。而且諧波等級越高,其含量越少。本文主要對二次諧波和四次諧波進行分析。

2 MMC環(huán)流抑制策略

2.1 傳統(tǒng)環(huán)流抑制策略

準比例諧振(PR)控制器是目前最常用的一種傳統(tǒng)環(huán)流抑制控制器,對交流信號而言,該控制器能夠實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。2倍頻環(huán)流抑制時,不需要進行坐標變換和相間解耦控制,環(huán)流的實際值主要通過上、下橋臂的橋臂電流值得到,將環(huán)流的參考值與實際值比較得出環(huán)流偏差值,然后進行準PR控制,從而控制環(huán)流的實際值在參考值附近變化[9]。其中,環(huán)流的參考值一般設置為0,將會造成一定的誤差。

2.2 改進的環(huán)流抑制控制策略

在分析了MMC相間環(huán)流的機理中,可以得到二次諧波與四次諧波環(huán)流是環(huán)流的主要成分,高階環(huán)流是由低階引起的,因此可以通過減小二次諧波與四次諧波來抑制換流器中的環(huán)流。

傳統(tǒng)的PI環(huán)流抑制控制器只能對單一的2倍頻分量具有抑制效果,不能夠很好的抑制環(huán)流中的4倍頻和6倍頻等高次諧波分量。為了解決此問題,本文提出對環(huán)流中的二次和四次諧波分量分別進行抑制的環(huán)流抑制方法。

利用2倍頻陷波器與4倍頻陷波器預處理,分別提取橋臂環(huán)流中的二次諧波分量與四次諧波分量。陷波器的傳遞函數(shù)為:

(13)

式中:ω表示陷波器的角頻率;t=1/(2Q)中Q表示陷波器的品質因數(shù)。

本文采用PI和PR控制器并聯(lián)的方式來抑制子模塊的環(huán)流,并聯(lián)后的傳遞函數(shù)為:

(14)

式中:kp為比例系數(shù);kr為諧振系數(shù);wc為響應帶寬;wn為陷波器的轉折頻率。得出的控制策略如圖2所示。

圖2 PIR控制策略

2倍頻分量和4倍頻分量兩部分共同構成PIR控制策略。2倍頻用來消除二次負序諧波分量,因此采用2倍頻負序旋轉坐標,4倍頻用來消除4次正序諧波分量,同理采用正序旋轉坐標變換。用復合PIR控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器來抑制環(huán)流,消除衍生出來的高次諧波分量。

3 仿真分析

為了驗證所提的環(huán)流抑制控制策略的效果,在PSCAD/EMTDC仿真系統(tǒng)搭建特高壓三相混合直流輸電工程中,對環(huán)流抑制器啟動和未啟動時進行仿真,上文的式(14)中取kp=3.5、ki=50、kr=60,得到的電壓、電流波形如下:

由圖3可以得出,環(huán)流抑制器未啟動時,環(huán)流幾乎不對MMC直流側的電壓和電流產(chǎn)生影響,同時也不會使交流側的電壓和電流產(chǎn)生畸變。

圖3 改進環(huán)流抑制器未啟動時MMC側電壓和電流

由圖4可以看出環(huán)流抑制器未啟動時,A相橋臂電流由于環(huán)流的存在發(fā)生了畸變。

圖4 改進環(huán)流抑制器啟動前A相上橋臂電流

在t=1 s時,環(huán)流抑制控制器開始啟動,通過仿真得到的波形如下圖所示。

圖5為環(huán)流抑制器啟動后MMC側直流電壓、電流以及交流電壓、電流波形,對比圖4環(huán)流抑制器啟動前的電壓、電流波形,可以得出:換流站內(nèi)部環(huán)流對直流電壓、電流以及交流電壓、電流幾乎沒有影響。

圖5 改進環(huán)流抑制器啟動后MMC側電壓和電流

由圖6可以得出,環(huán)流抑制器啟動后明顯改變了橋臂電流的畸變程度,有效抑制了換流站的相間環(huán)流得到有效的抑制。

圖6 改進環(huán)流抑制器啟動后A相橋臂電流

如表1中序號2的波形所示,波形總諧波畸變率(THD)從原來的44.65%,減小到4.2%,相對于傳統(tǒng)PR控制器的抑制效果6.3%,提高了2.1%。

表1 A相橋臂電流畸變率(THD)的不同抑制器結果

4 結論

本文對MMC相間環(huán)流的機理進行分析,得出環(huán)流主要為偶次諧波,并且二次諧波與四次諧波為主要分量,提出的一種基于陷波器改進PIR控制器的環(huán)流抑制策略,通過仿真結果分析得出此方法可以有效地改善橋臂電流畸變現(xiàn)象,在一定程度上減小環(huán)流的幅度,并且MMC內(nèi)部環(huán)流限制在一定范圍內(nèi),不會對交流側和直流側輸出電壓、電流產(chǎn)生負面影響。