宋吉江 牛軼霞 朱榮俊

摘 要：MMC的環(huán)流只在橋臂內(nèi)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(shè)計(jì)了基于MMC的二次諧波環(huán)流抑制器。該抑制器采用NLM調(diào)制算法，解決了多電平時(shí)CPS-SPWM功耗較高的問(wèn)題，通過(guò)合理選擇硬件電路的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)橋臂環(huán)流的抑制，通過(guò)單端21電平仿真模型驗(yàn)證其有效性。

關(guān)鍵詞：MMC；環(huán)流抑制；二次諧波過(guò)濾器；NLM

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

0 引言

智能控制技術(shù)的發(fā)展，帶來(lái)了輸、變、配電系統(tǒng)的變革[1-2]。尤其是MMC的出現(xiàn)，引領(lǐng)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(wèn)題，通過(guò)模塊化疊加的思路，從另一個(gè)角度實(shí)現(xiàn)了耐壓、功率的巨大提升，大力推動(dòng)了直流輸電技術(shù)發(fā)展，然而解決問(wèn)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(fù)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(diǎn)。文獻(xiàn)[4]對(duì)二倍頻環(huán)流進(jìn)行坐標(biāo)變換，設(shè)計(jì)了比例積分（PI）控制器來(lái)消除環(huán)流。文獻(xiàn)[5]采用基于NLM調(diào)制方式，重新設(shè)計(jì)了PI環(huán)流抑制器。文獻(xiàn)[6]驗(yàn)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(diào)制增加了開(kāi)關(guān)損耗。本文把NLM調(diào)制和二次諧波過(guò)濾器結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了基于MMC的二次諧波環(huán)流抑制器，實(shí)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(jí)聯(lián)于橋臂中，各自分擔(dān)一部分直流電壓，通過(guò)電容數(shù)量的有機(jī)組合構(gòu)建輸出的交流電壓，當(dāng)電流在橋臂內(nèi)流通時(shí)，因元器件制造工藝的差別，相同的元器件仍會(huì)有部分的差異，造成橋臂間的電壓很難保持一致，這就會(huì)引起電容電壓的波動(dòng)，帶來(lái)環(huán)流的問(wèn)題。環(huán)流在橋臂內(nèi)流通，不僅會(huì)引發(fā)元器件發(fā)熱，增加系統(tǒng)損耗，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成影響。因此，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須進(jìn)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(shí)，環(huán)流以二次諧波為主，因此可以設(shè)想通過(guò)簡(jiǎn)單的電感、電容諧振電路的方式濾除。由于環(huán)流只在各個(gè)相單元中流通，對(duì)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(gè)相單元中接入諧波過(guò)濾器，以期達(dá)到環(huán)流抑制的效果。

該方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，可以與當(dāng)前的調(diào)制策略相匹配，圖1為MMC二次諧波過(guò)濾器結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理的選擇電感、電容參數(shù)，在基波條件下，實(shí)現(xiàn)電橋的平衡，這樣C0就沒(méi)有電流流過(guò)，對(duì)于二次諧波，通過(guò)諧振的方式將其濾除。

3 MMC環(huán)流抑制器仿真

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(diào)制方式為NLM調(diào)制算法，外環(huán)功率控制采用定直流電壓和定無(wú)功功率控制，其設(shè)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(jìn)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(shí)A相橋臂環(huán)流的峰峰值為0.5kA。b）為使用濾波器進(jìn)行環(huán)流抑制，相比a）來(lái)說(shuō)，二倍頻得到一定的程度的抑制，此時(shí)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(guò)FFT變換后，提取出基波和各次諧波的含量，進(jìn)行諧波分析，發(fā)現(xiàn)兩種情況下的THD曲線總體趨勢(shì)一致，在具體時(shí)刻上波形略有差別，具體表現(xiàn)為上橋臂的電流在啟動(dòng)時(shí)的諧波畸變率（THD）啟動(dòng)時(shí)較高，約在2.1%左右，啟動(dòng)后迅速降低，經(jīng)過(guò)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(jìn)行環(huán)流抑制的諧波始終維持在0.2%左右。

4 結(jié)論

本文分析了環(huán)流的成因，主要成分為二倍頻負(fù)序環(huán)流，環(huán)流疊加在橋臂中，導(dǎo)致波形畸變，無(wú)形中增大了系統(tǒng)的耐壓、功率損耗等指標(biāo)，必須進(jìn)行環(huán)流抑制。把二次諧波過(guò)濾器應(yīng)用于模塊化多電平換流器中，結(jié)合NLM調(diào)制算法，解決了多電平時(shí)CPS-SPWM功耗較高的問(wèn)題，同時(shí)合理選取硬件電路的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了橋臂環(huán)流的有效抑制。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱榮俊，宋吉江，蔡富東等.基于STM32的變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，31（06）：29-33.

[2]朱榮俊，宋吉江，王延博等.基于藍(lán)牙模塊的新型非接觸輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（10）：145+120.

[3]朱榮俊，宋吉江，蔡富東.模塊化多電平換流器快速預(yù)充電控制[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（03）：157.

[4]屠卿瑞，徐政，管敏淵等.模塊化多電平換流器環(huán)流抑制控制器設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（18）：57-61+83.

[5]馮志國(guó)，葛曼玲，陳玉民.模塊化多電平換流器的環(huán)流抑制方法研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2017，44（10）：48-52+58.

[6]張建坡，趙成勇.模塊化多電平換流器環(huán)流及抑制策略研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（10）：328-336.

作者簡(jiǎn)介：宋吉江（1963-），男，山東煙臺(tái)人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：大功率電力電子變流器。