适用于不对称交流电网的mmc直接环流抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子设备及其控制技术领域，尤其涉及一种适用于不对称交流电 网的MMC直接环流抑制方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子设备及其控制技术的发展，采用IGBT等半导体器件的电压源型换 流器（voltage source converter, VSC)在中高压领域得到广泛的应用。其中较多电平数 的模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC)通过子模块（sub modular， SM)级联，具有高度模块化的结构、公共直流母线、便于工程实现的优点，在HVDC方向得到 大力的推广。
[0003] MMC内部的储能电容采用分布式悬浮结构，子模块间电容电压的不均衡，导致MMC 内部存在二次谐波环流，在对称电网条件下环流为2倍频负序的性质。虽然环流对换流器 外部的交流电压及交流电流没有影响，但如果不对其进行抑制，环流将使桥臂电流的有效 值增加，进而增大换流器的损耗。
[0004] 交流系统故障时有发生，且单相接地故障等不对称故障发生的概率相对较高，因 此为MMC设计适用于不对称工况的控制系统能够提高其运行的可靠性。
[0005] 针对不对称运行工况，现有文献一般采用建立正、负序双解耦控制系统的方法。对 于负序内环电流控制一般有两种控制目标：一种是抑制交流电流的负序分量；另一种为抑 制有功功率的2倍频波动。
[0006] 但在不对称交流系统中，即使采用负序内环控制系统，环流中仍然将含有正序、负 序及零序分量。为了对环流中三种谐波分量进行抑制，国内外学者开展了大量的研究。如 将基于子模块电容电压预估的最近电平调制和直接环流控制相结合，提出适用于不对称交 流系统的复合环流控制策略，但该策略的控制系统结构较为复杂。为了适应不对称运行 情况，现有国外文献提出又基于三相环流解耦的控制方法进行了改进，在原有解耦系统的 基础上增加了零序控制回路对直流电压波动进行抑制；但提出的方法需要额外的测量上、 下桥臂电压，增加了控制系统的复杂度及成本，此外提出的基于比例谐振（proport iona 1 resonant，PR)控制器的抑制策略仅在电流的负序分量得到抑制的前提下有效，并提出了基 于比例积分谐振（proportional integral resonant，PIR)控制器的环流抑制策略，但该策 略仅适用于抑制有功功率波动的负序内环控制系统。
[0007] 综上，为了适用于不对称交流系统，现有的环流抑制策略一般需要采用额外的控 制器对零序环流或直流电压波动进行抑制，额外的控制将使环流抑制器更加复杂；同时零 序环流抑制器或者直流电压波动抑制器一般根据单一负序抑制目标而设计，当负序控制目 标变化时，原有的控制策略将不再适用。因此，现有的环流抑制策略在简洁性及通用性方面 存在不足，其大多基于比例积分控制器或者比例谐振控制器，在不对称电网条件下，该类策 略需要额外的增加零序环流抑制或者直流电压波动抑制来控制环流中的零序分量，这使 控制系统更加复杂。
【发明内容】
[0008] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种无需比例积 分控制器或者比例谐振控制器，结构简洁且通用性强的适用于不对称交流电网的MMC直接 环流抑制方法，该方法用于环流抑制的不平衡电压参考值由直接计算得到，能够同时抑制 不对称电网运行状态下正序、负序及零序环流分量，每相具有独立的结构，且无需额外的零 序环流抑制，控制器结构更加简洁，同时该控制策略适用于两种不同负序控制目标。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种适用于不对称交流电网的MMC直接环流抑制 方法，其方法如下：
[0010] ( -）计算不对称电网条件下模块化多电平换流器上、下桥臂功率的瞬时值；首先 建立MMC单相等效电路，然后依据MMC单相等效电路，设不平衡电流中的环流分量被抑制为 0,在不对称电网条件下，可计算得出MMC上、下桥臂功率的瞬时值计算公式分别为：
[0011]
(P
[0012]
(2)
[0013] 其中，Ppj为MMC上桥臂功率的瞬时值，P nj为MMC下桥臂功率的瞬时值，u jp i Av 别为换流器j相的交流输出电压及电流；Uw与u n]分别为MMC上、下桥臂输出电压，下标p 和η代表相单元的上和下桥臂；下标j代表三相系统中的A、B和C相；
[0014] U和α分别为换流器对应相内部电势e的幅值及初始相角；I和γ分别为对应相 的电流幅值及初始相角；k和m分别为电压及电流的调制系数，定义为：
[0015]
[0016] 当处于稳态的MMC系统中时，MMC系统中的桥臂功率的直流分量为0,则将MMC上、 下桥臂功率的瞬时值计算公式（1)和（2)简化为：
[0017] (3:)
[0018] 其中Ptj j和P 2tJ肩j相瞬时功率基频及2倍频分量的幅值；細和_分别为j相 对应的功率分量的初始相角；
[0019] (二）不对称电网条件下计算MMC上、下桥臂电容电压的平均值，分析出MMC电容 电压的波动幅度；依据MMC中单个桥臂内所有电容存储的总能量E。，求得桥臂内子模块组 能量的变化率P。：
[0020] (4)
[0021] 其中，Um为第i个子模块的电容电压，N为桥臂内子模块的总个数，U "^为MMC电 容电压的额定值；"Γ为桥臂内N个子模块电容电压的平均值；C为子模块电容值。
[0022] 根据能量守恒原理，桥臂吸收的功率应与电容器组储存能量的变化率一致，因此 由式⑶及⑷可得：
[0023] (5)
[0024] 其中〃^和分别为上、下桥臂电容电压平均值。
[0025] 通过求解式（5)，求得上、下桥臂电容电压的平均值计算公式分别为：
[0027] 其中ε为电容电压波动系数，下标'1'和'2'代表基频及2倍频分量；[0028] 根据上述计算公式（6)得出MMC电容电压的波动幅度，当MMC内部环流被抑制为0
[0026] (6) 时，无论MMC运行于对称交流系统或者不对称交流系统，电容电压均包含直流分量、基频交 流分量及2倍频分量；且上、下桥臂电容电压的基频分量相反，同时上、下桥臂电容电压含 有相同的2倍频分量；
[0029] (三）计算环流抑制参考值，并环流抑制参考值应用于MMC控制系统，实现环流将 抑制；首先低通滤波器用于从不平衡电流中提取直流分量i_，最后由带通滤波器从不平衡 电压参考值中提取2倍频交流分量；上述不平衡电压参考值u dlff]_raf的计算公式为：
[0030] (7)
[0031] 其中Udlffo^为环流抑制引入的不平衡电压参考值；u raf]为内环电流控制系统产 生的电压参考值；ud。为直流母线电压；R。为桥臂等效电阻。
[0032] 当公式（7)计算得到的不平衡电压参考值应用于MMC控制系统时，j相的环流将 被抑制。
[0033](四）对步骤（三）中得出的环流抑制参考值进行有效成分分析；对不平衡电压 参考值的成分进行分析如下：
[0034] 设U"f]= e ,，ε 2= 0,并将公式（6)推导得到的上、下桥臂电容电压平均值带入公 式（7)，可得不平衡电压参考值：
[0035] (B)
[0036] 通过式（8)分析出不平衡电压参考值的主要成分为直流分量及2倍频分量，将式 (7)计算得到的参考值通过带通滤波器后，加入MMC控制系统，能够对环流进行抑制，则其 有效成分应为2倍频分量。
[0037] 本发明的有益效果是：
[0038] (1)本发明用于环流抑制的不平衡电压参考值由直接计算得到，而不需要传统环 流抑制策略需采用的PI控制器及谐振控制器，控制器结构简单。
[0039] (2)本发明提出的环流抑制策略每相具有独立的结构，适用于交流非全相的系统； 且能够同时抑制不对称电网运行状态下正序、负序及零序环流分量，在对称交流系统及不 对称交流系统的两种不同负序控制目标都具有有效性，通用性强。
[0040] (3)对子模块的电容电压波动表达式进行推导：无论在对称或者不对称的电网条 件下，电容电压均包括直流分量、基频交流分量及2倍频分量。
[0041] (4)本发明用于环流抑制的不平衡电压参考值的成分进行了分析，该参考值的有 效成分为2倍频分量。在PSCAD/EMTDC时域仿真平台上搭建了双端MMC-HVDC模型，对本发 明提出的MMC环流控制策略的有效性进行了验证，试验表明本发明提出的环流抑制策略可 以在不同的电网运行条件及不同内环负序电流控制目标下达到环流抑制的目的。
[0042] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0043] 图1是本发明的MMC单相等效电路图。
[0044] 图2是本发明的直接环流抑制方法单相结构图。
[0045] 图3为验证本发明有效性的MMC-HVDC系统结构图。
[0046] 图4为对称交流系统下直接环流抑制策略开放前后仿真结果图。
[0047] 图5为抑制负序电流的仿真结果图。
[0048] 图6为抑制有功功率2倍频波动的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0049] 如图1所示，本发明的一具体实施例，本实施例是一种