張興輝，武宏波，王朝亮(.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，南京市004;.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市009; .國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州市004)

基于自抗擾控制技術(shù)的MMC環(huán)流抑制器

張興輝1，武宏波2，王朝亮3
(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，南京市210024;2.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市102209; 3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州市310014)

模塊化多電平換流器(modularmultilevel converter，MMC)是一種新型的電壓源換流器，已經(jīng)成功應(yīng)用于高壓直流輸電領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊，然而橋臂環(huán)流的存在影響了MMC的工作特性和損耗，對(duì)環(huán)流進(jìn)行抑制是MMC工程應(yīng)用必須解決的問(wèn)題?？紤]到系統(tǒng)非線性、魯棒性和動(dòng)態(tài)性能的要求，引進(jìn)自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術(shù)，基于自抗擾控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種MMC環(huán)流抑制器(circulating current suppressing controller，CCSC)，所設(shè)計(jì)環(huán)流抑制器對(duì)MMC的環(huán)流詳細(xì)模型依賴小，并具有優(yōu)異的適應(yīng)性和魯棒性。最后通過(guò)在PSCAD/ EMTDC環(huán)境下建立的兩端MMC系統(tǒng)，仿真驗(yàn)證了所提出的環(huán)流抑制器的有效性。

模塊化多電平換流器(MMC);環(huán)流;自抗擾控制(ADRC);環(huán)流抑制器

0 引言

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已成功應(yīng)用在高壓直流輸電系統(tǒng)中，并已成為未來(lái)電壓源換流器高壓直流輸電(voltage source converter based HVDC，VSC-HVDC)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)［1-5］。MMC采用了模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)電壓及功率等級(jí)的靈活變化，減小了電磁干擾和輸出電壓的諧波含量，輸出電壓非常平滑且接近理想正弦波形，開(kāi)關(guān)損耗低、輸出波形諧波含量少，網(wǎng)側(cè)無(wú)需大容量交流濾波器?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，使得MMC在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)、電網(wǎng)異步互聯(lián)、城市中心供電、無(wú)源負(fù)荷或孤島供電等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景［6-11］。

由于MMC三相橋臂相當(dāng)于并聯(lián)在系統(tǒng)的直流側(cè)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，各橋臂間的電壓不可能完全一致，因此必然會(huì)在三相橋臂間產(chǎn)生環(huán)流，從而使正弦的橋臂電流波形發(fā)生畸變。各相之間的能量不平衡促使了MMC內(nèi)部環(huán)流的存在，增加了對(duì)開(kāi)關(guān)器件參數(shù)設(shè)計(jì)的要求，因此必須進(jìn)行環(huán)流抑制。文獻(xiàn)［12-14］利用開(kāi)關(guān)函數(shù)對(duì)環(huán)流的基本成分進(jìn)行了分析，并探討了相應(yīng)的復(fù)雜性。文獻(xiàn)［14-15］分析了內(nèi)部環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理，并采用2倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的原理設(shè)計(jì)了相應(yīng)的環(huán)流抑制器。

自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術(shù)是我國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)90年代末提出的一種新型反饋線性化控制策略。ADRC的設(shè)計(jì)不依賴于受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)良好的ADRC響應(yīng)快速，控制精度高，對(duì)受控對(duì)象模型的不確定因素和外擾具有優(yōu)異的適應(yīng)性和魯棒性。文獻(xiàn)［16］基于自抗擾控制理論，將技術(shù)引入到PWM整流器的電壓外環(huán)控制器，較好地解決PWM整流器未動(dòng)態(tài)建模和電網(wǎng)電壓、負(fù)載擾動(dòng)難以精確估計(jì)的問(wèn)題。文獻(xiàn)［17］基于ADRC技術(shù)設(shè)計(jì)了VSC-HVDC系統(tǒng)外環(huán)控制器，其具有不依賴受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、響應(yīng)速度快、控制精度高和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但目前ADRC技術(shù)在MMC控制領(lǐng)域目前少有研究和應(yīng)用。

針對(duì)MMC系統(tǒng)的非線性、魯棒性和動(dòng)態(tài)性能要求，本文引進(jìn)ARDC技術(shù)，基于ARDC技術(shù)設(shè)計(jì)了MMC環(huán)流抑制器(circulating current suppressing controller，CCSC)，所設(shè)計(jì)環(huán)流抑制器對(duì)MMC的環(huán)流詳細(xì)模型依賴小，并具有優(yōu)異的適應(yīng)性和魯棒性。最后，通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的MMC自抗擾環(huán)流抑制器的有效性。

1 MMC的橋臂環(huán)流原理分析

1.1 基本結(jié)構(gòu)

三相n+1電平MMC基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，MMC的每個(gè)橋臂由n個(gè)子模塊和1個(gè)電抗器L0串聯(lián)組成，上、下2個(gè)橋臂組成1個(gè)相單元。

目前MMC-HVDC工程主要采用半橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。子模塊結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其由2個(gè)IGBT (T1，T2)、2個(gè)反向二極管(D1，D2)以及1個(gè)直流電容器C組成。正常運(yùn)行時(shí)子模塊工作狀態(tài)如表1所示，其中S代表子模塊狀態(tài)，S=1代表子模塊投入，S=0代表子模塊切除，USM為輸出電壓。

1.2 原理分析

MMC單相等效電路如圖2所示，usk(j=a、b、c，下同)為交流相電壓、ij為交流相電流，R為等值電阻，L0為橋臂電抗，uPj、uNj分別為MMC的上、下橋臂電壓(其中P代表上橋臂，N代表下橋臂，下同)，iPj、iNj分別為上、下橋臂電流，ePj、eNj分別為MMC的上、下橋臂交流輸出點(diǎn)電壓，Udc為直流電壓，Idc為直流電流。

根據(jù)圖2的電路結(jié)構(gòu)和基爾霍夫定律可得MMC交流側(cè)和內(nèi)部數(shù)學(xué)模型為

由此可知，通過(guò)控制MMC各相上、下橋臂電壓uPj、uNj可實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器出口電壓的等效控制，進(jìn)而可控制MMC與交流系統(tǒng)之間的功率交換。MMC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，各橋臂間的電壓不可能完全一致，因此必然會(huì)在三相間產(chǎn)生環(huán)流。通過(guò)文獻(xiàn)［13］中的分析可知，MMC運(yùn)行中由于子模塊電容電壓波動(dòng)產(chǎn)生三相電壓不平衡，三相橋臂間存在環(huán)流，而且環(huán)流中僅含有偶次波成分，其主要成分是負(fù)序性質(zhì)的二次分量，其他分量所占比重非常小。其中6k+2次諧波分量呈現(xiàn)負(fù)序性質(zhì)，6k+4次諧波分量呈現(xiàn)正序性質(zhì)，6k+6次諧波分量呈現(xiàn)零序性質(zhì)，k=0，2，4，6…。定義ecj為換流器等效交流輸出電壓，izj為橋臂環(huán)流，其表示如下:

通過(guò)分析可知，上、下橋臂交流輸出點(diǎn)電壓反映的是橋臂環(huán)流中交流分量的變化情況，并且MMC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)環(huán)流在各橋臂對(duì)稱流動(dòng)，不體現(xiàn)在直流電流和交流電流中。由文獻(xiàn)［14-15］可知，為了抑制環(huán)流，可以在可控的上、下橋臂電壓的參考指令中都減去環(huán)流壓降uzj來(lái)消除環(huán)流對(duì)橋臂電流的影響。根據(jù)這一思路，結(jié)合公式(1)和公式(2)可得上、下橋臂電壓參考值的控制規(guī)律為

通過(guò)公式(6)可知，抑制環(huán)流的本質(zhì)在于求得環(huán)流壓降，后文采用自抗擾控制技術(shù)得到環(huán)流壓降，進(jìn)而消除環(huán)流。

2 環(huán)流抑制策略

自抗擾控制技術(shù)是在繼承PID控制技術(shù)不依賴于對(duì)象模型優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)經(jīng)典PID固有缺陷而形成的新型控制技術(shù)，是一種非線性魯棒控制技術(shù)［18-19］。將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于MMC環(huán)流抑制策略中，設(shè)計(jì)基于ARDC的MMC環(huán)流抑制器具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)ARDC技術(shù)對(duì)于MMC環(huán)流模型的不確定性和外部擾動(dòng)變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，根據(jù)被控對(duì)象的承受能力合理安排控制量的過(guò)渡工程，使控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能;

(2)自抗擾控制技術(shù)不依賴于對(duì)象模型，MMC環(huán)流模型較為復(fù)雜，ARDC技術(shù)可以直接進(jìn)行控制，不必進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)解耦解析分析，無(wú)需引進(jìn)dq分解等解耦策略;

(3)ARDC根據(jù)過(guò)程誤差的大小和方向，通過(guò)配置非線性結(jié)構(gòu)實(shí)施反饋控制，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)變量以及系統(tǒng)模型內(nèi)擾和外擾的影響，采用前饋補(bǔ)償?shù)姆椒▽⒈豢貙?duì)象轉(zhuǎn)化成積分串聯(lián)型系統(tǒng)，作為MMC的附加控制，統(tǒng)一處理確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)的控制問(wèn)題，改善和增強(qiáng)了魯棒性。

2.1 ADRC基本原理

ADRC汲取了經(jīng)典PID控制和現(xiàn)代控制理論的精華，并進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。本文采用的一階自抗擾控制器如圖3所示，由跟蹤微分器(tracking differentiator，TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(extended state observer，ESO)和非線性狀態(tài)誤差反饋(nonlinear state error feedback，NLSEF)這3部分構(gòu)成［19］。

(1)跟蹤微分器。

跟蹤微分器能夠合理提取微分信號(hào)并根據(jù)被控對(duì)象的承受能力合理安排過(guò)渡過(guò)程，從而有效協(xié)調(diào)系統(tǒng)輸出的快速性與超調(diào)之間的矛盾。

式中:v為輸入的參考信號(hào);v1、v2分別為輸入信號(hào)v的跟蹤信號(hào)與廣義微分信號(hào);r為可調(diào)參數(shù)，r值越大，跟蹤微分器的跟蹤能力越強(qiáng)。

(2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器。

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是ADRC控制器的核心部分，其將系統(tǒng)未建模的部分和未知的內(nèi)部和外部擾動(dòng)歸結(jié)為系統(tǒng)的總擾動(dòng)，通過(guò)擴(kuò)張一維的方法，實(shí)時(shí)估計(jì)并動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的擾動(dòng)，使系統(tǒng)線性化為積分器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化了控制對(duì)象，提高了控制品質(zhì)。二階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器可表示為

其中:

式中:e為誤差信號(hào);α為可調(diào)參數(shù)(0＜α＜1);δ為濾波因子;y為系統(tǒng)輸出值;b為補(bǔ)償因子;m1、m2為輸出誤差校正系數(shù);fal為非線性狀態(tài)誤差反饋函數(shù)，是ESO的核心部分;z1、z2分別為系統(tǒng)輸出和系統(tǒng)擾動(dòng)的估計(jì)值。

(3)非線性狀態(tài)誤差反饋。

非線性狀態(tài)誤差反饋利用非線性結(jié)構(gòu)抑制系統(tǒng)誤差，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。一階自抗擾控制器中的非線性NLSEF可表示為

式中:m3為比例系數(shù)，NLSEF的作用是根據(jù)TD環(huán)節(jié)的跟蹤信號(hào)和微分信號(hào)與ESO估計(jì)得到的各個(gè)狀態(tài)值獲得的誤差信息，采用非線性配置的方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

2.2 環(huán)流抑制器設(shè)計(jì)

自抗擾控制器的TD的作用是提取對(duì)象的跟蹤信號(hào)和微分信號(hào)，消除初始誤差太大出現(xiàn)的超調(diào)現(xiàn)象，解決在實(shí)際控制中誤差信號(hào)不可微的問(wèn)題。在一階ADRC結(jié)構(gòu)中，ESO只輸出控制對(duì)象和未知擾動(dòng)項(xiàng)的觀測(cè)值，而沒(méi)有控制對(duì)象的微分輸出項(xiàng)?？刂破鞑恍枰猅D的微分輸出，因此對(duì)MMC自抗擾環(huán)流抑制器ADRC模型進(jìn)行改進(jìn)，省略TD環(huán)節(jié)。

在理想情況下，橋臂電流應(yīng)為交流電流的1/2和直流電流的1/3，即在相單元中單相流動(dòng)的電流僅為直流電流的1/3，這是環(huán)流的理想額定值，也是其參考值。故環(huán)流的實(shí)測(cè)值可以通過(guò)測(cè)量橋臂電流并結(jié)合公式(4)得到，而環(huán)流的參考值可以通過(guò)公式(12)得到，即

式中:Pref為系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β?Udc為MMC直流電壓。

將橋臂環(huán)流中的各次諧波分量視為外部擾動(dòng)，對(duì)其利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可得基于ADRC技術(shù)的MMC環(huán)流抑制器。根據(jù)以上分析，環(huán)流抑制器可以通過(guò)改進(jìn)一階ADRC結(jié)構(gòu)得到，如圖4所示。

采用ADRC技術(shù)的MMC環(huán)流抑制器的MMC整體控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論解析計(jì)算的正確性和有效性，本文在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了如圖6所示的21電平雙端MMC-HVDC電磁暫態(tài)仿真的系統(tǒng)模型。模型單站結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩站結(jié)構(gòu)相同。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:交流系統(tǒng)電源額定電壓為230 kV，短路比SCR=20，系統(tǒng)頻率為50 Hz，換流變壓器T1和T2的容量均為570 MW，采用Y0/Δ接法，變比均為230 kV/166 kV，漏抗LT=0.023 H，連接電阻R為3Ω，整流側(cè)MMC1換流站采用定直流電壓和定交流電壓控制，額定直流電壓為±160 kV，逆變側(cè)MMC2換流站采用定有功功率和定無(wú)功功率控制，子模塊均壓策略采用工程中較為常用的排序均壓法［20］，仿真實(shí)驗(yàn)中有功傳輸容量為105.6 MW，無(wú)功功率為300 Mvar，橋臂電抗L0=0.015 H，電容C=5 000μF。在t=3 s時(shí)，環(huán)流抑制器投入，以逆變側(cè)MMC2為例分析。

環(huán)流的額定參考值根據(jù)有功功率和直流電壓通過(guò)公式(12)計(jì)算為0.11 kA，以此作為環(huán)流抑制器的環(huán)流參考值。圖7為MMC2的A橋臂環(huán)流，通過(guò)環(huán)流抑制器投入可以發(fā)現(xiàn)，橋臂環(huán)流得到了有效抑制。圖8為A相上、下橋臂的橋臂電流，在橋臂環(huán)流抑制器投入之后，環(huán)流得到抑制，畸變的橋臂電流變?yōu)檎也?。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，環(huán)流抑制器能夠有效消除環(huán)流，證明了其具有良好抑制效果。

4 結(jié)論

針對(duì)MMC系統(tǒng)的非線性、魯棒性和動(dòng)態(tài)性能要求，本文基于自抗擾控制技術(shù)設(shè)計(jì)了1種MMC環(huán)流抑制器，所設(shè)計(jì)環(huán)流抑制器對(duì)MMC的環(huán)流詳細(xì)模型依賴小，無(wú)需進(jìn)行dq分解，并具有優(yōu)異的適應(yīng)性和魯棒性。最后通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的MMC環(huán)流抑制器的有效性。

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(編輯:張媛媛)

Circulating Current Suppressing Controller for MMC Based on Active Disturbance Rejection Control Technology

ZHANG Xinghui1，WU Hongbo2，WANG Chaoliang3
(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China; 2.State Power Econom ic Research Institute，Beijing 102209，China; 3.Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310014，China)

Modularmultilevel converter(MMC)is a novel voltage sourced converter，which has been successfully applied in HVDC transm ission and has broad development prospects.But the working performance and system losses of MMC are directly affected by the existing arm circulating current，so the circulating current suppressing is a problem needed to be resolved for the MMC engineering applications.The active disturbance rejection control(ADRC)technology was introduced in response to the requirements of system non-linearity，robustness and dynamic performance.A circulating current suppressing controller(CCSC)for MMC With good adaptation and robustness was designed based on ADRC technology，which did not depend on the detailed model of arm circulating current.Finally，the simulation results of the MMC system With using PSCAD/EMTDC verified the validity of the proposed CCSC.

modularmultilevel converter(MMC);circulating current;active disturbance rejection control(ADRC); circulating current suppressing controller(CCSC)

TM 72

A

1000－7229(2014)11－0097－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.016

2014-06-23

2014-08-04

張興輝(1982)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)可靠性研究工作;

武宏波(1983)，男，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃分析研究工作;

王朝亮(1986)，男，碩士，主要從事高壓直流輸電與柔性直流輸電相關(guān)技術(shù)的研究工作。