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一種基于準(zhǔn)PR控制原理的MMC閥組環(huán)流抑制方法

1 引言

隨著風(fēng)電、光伏等分布式能源的廣泛應(yīng)用和智能電網(wǎng)的發(fā)展，柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速。從傳統(tǒng)的兩電平電壓源換流器拓?fù)涞街行渣c(diǎn)鉗位(NPC)的三電平拓?fù)洌俚侥K化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，簡(jiǎn)稱MMC)在世界范圍內(nèi)都得到了廣泛的研究和試驗(yàn)。尤其是最近，MMC技術(shù)在VSC-HVDC領(lǐng)域有著更大的吸引力。這種結(jié)構(gòu)能夠通過增加子模塊數(shù)來靈活的適應(yīng)電壓和功率等級(jí)，而且MMC能降低開關(guān)頻率，較大降低系統(tǒng)損耗，電壓畸變小，從而不需要濾波器，使得MMC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

2 MMC環(huán)流產(chǎn)生原理及控制策略

MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由六個(gè)橋臂構(gòu)成，其中每個(gè)橋臂由N個(gè)相互連接且結(jié)構(gòu)相同的子模塊與一個(gè)電抗器L串聯(lián)構(gòu)成，上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元。六個(gè)橋臂具有對(duì)稱性，即各子模塊的參數(shù)和各橋臂電抗值都是相同的。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

換流器中的單元并聯(lián)于直流側(cè)母線上，在運(yùn)行時(shí)每個(gè)相單元產(chǎn)生的直流電壓很難保持嚴(yán)格一致，因此就有環(huán)流在三個(gè)相單元間流動(dòng)，MMC的各種控制方法，最終要通過控制三相6個(gè)橋臂各自的輸出電壓upj和unj來實(shí)現(xiàn)。為消除各相上、下橋臂電壓和的不一致性，在橋臂電壓upj和unj上同時(shí)減去一個(gè)大小等于ucirj的修正量，就可以抵消兩個(gè)串聯(lián)電抗器兩端之間的電壓，同時(shí)可間接控制換流器的內(nèi)部電流icirj。由于這種修正是同時(shí)加載同相上下兩個(gè)橋臂上，因此它不會(huì)影響MMC的外部特性，即MMC輸出的電流電壓和電流不會(huì)改變。利用這一特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的內(nèi)部環(huán)流抑制控制器（Circulating Current Suppressing Controller，CCSC）。

滿足上述環(huán)流抑制控制器設(shè)計(jì)要求時(shí)的上、下橋臂電壓參考值為

式中，I2f為二倍頻環(huán)流峰值。

綜上所述，環(huán)流只存在于換流器內(nèi)部，獨(dú)立于換流器外部所接電源或負(fù)荷。它是由各相上、下橋臂電壓之和彼此不一致引起的，且此環(huán)流為二倍頻負(fù)序性質(zhì)，它在MMC三相橋臂間流動(dòng)，對(duì)外部交流系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響。盡管橋臂電抗可以抑制環(huán)流大小，但是相單元間二倍頻負(fù)序環(huán)流的存在仍會(huì)使橋臂電流發(fā)生畸變，也會(huì)影響電容電壓的平衡控制，所以有必要采取適合的控制策略對(duì)電容電壓平衡和環(huán)流進(jìn)行協(xié)同控制。

在整流、逆變的控制系統(tǒng)中電流控制的傳統(tǒng)控制方法采用坐標(biāo)變換技術(shù)，將三相靜止坐標(biāo)系下的電流電壓等正弦量轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量，然后分別對(duì)d、q軸分量采用PI控制。然而采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI控制要經(jīng)過Clark和Park變換，而且d、q軸分量存在耦合，為了達(dá)到良好的控制效果需要進(jìn)行解耦控制，在實(shí)現(xiàn)中由于解耦不精確會(huì)對(duì)控制效果產(chǎn)生一定的影響。

PR控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸入的無靜差控制。將PR控制器用于網(wǎng)側(cè)變換器的控制系統(tǒng)中，可在兩相靜止坐標(biāo)系下對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢院?jiǎn)化控制過程中的坐標(biāo)變換，消除電流d、q軸分量之間的耦合關(guān)系，且可以忽略電網(wǎng)電壓對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)作用。此外，應(yīng)用PR控制器，易于實(shí)現(xiàn)低次諧波補(bǔ)償，這些都有助于簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

3、準(zhǔn)PR控制策略分析

PR控制器，即比例諧振控制器，由比例環(huán)節(jié)和諧振環(huán)節(jié)組成，可以對(duì)正弦量實(shí)現(xiàn)無靜差控制，理想PR控制器的傳遞函數(shù)如下所示：

式中Kp為比例項(xiàng)系數(shù)，Kr為諧振項(xiàng)系數(shù)，ω0為諧振頻率。PR控制器中的積分環(huán)節(jié)又被成為廣義積分器，可以對(duì)諧振頻率的正弦量實(shí)現(xiàn)幅值積分。與PI控制器相比，PR控制器可以達(dá)到零穩(wěn)態(tài)誤差，提高有選擇抵抗電網(wǎng)電壓的干擾能力。但是在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，PR控制器的實(shí)現(xiàn)主要存在以下兩個(gè)問題：

由于模擬系統(tǒng)元器件參數(shù)進(jìn)度和數(shù)字系統(tǒng)精度的限制，理想PR控制器不易實(shí)現(xiàn)。

理想PR控制器在非基頻處增益非常小，當(dāng)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏移時(shí)，就無法有效抑制電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波，會(huì)緩慢地發(fā)散，如圖2所示。

由于理想PR控制器無法在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)，常用非理想PR控制器代替，非理想PR控制器的傳遞函數(shù)如下所示，式中ωc為準(zhǔn)積分項(xiàng)的截止頻率，且ωc<<ω0,非理想pr控制器的波特圖如圖3所示，其中kp=1，kr=100，ω0=2*50π,ωc=0.001。< p="">

理想PR控制器在諧振頻率處的開環(huán)增益為無窮大，保證了輸入量的無靜差控制，在其他頻率處的開環(huán)增益主要由比例項(xiàng)系數(shù)Kp決定，非理想PR控制器在諧振頻率處的幅值雖然不至于無窮，但可以通過增大諧振項(xiàng)系數(shù)Kr來保證對(duì)輸入量的控制精度。

為抑制MMC內(nèi)部的三相環(huán)流，在MMC內(nèi)部環(huán)流數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用準(zhǔn)PR控制器直接控制換流器內(nèi)部的三相兩倍頻環(huán)流，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的環(huán)流抑制控制器，理論上可以完全消除橋臂電流中的環(huán)流分量，大大減小了橋臂電流的畸變成分，使其更逼近正弦波。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)的相應(yīng)控制器如圖4所示。

其中，虛線部分為類PR控制器，根據(jù)MMC內(nèi)部環(huán)流數(shù)學(xué)模型及準(zhǔn)PR參數(shù)分析，ωc= 5Hz，ω0=2πf=2×100πHz。Kp和kr分別表示控制器中比例積分環(huán)節(jié)的比例參數(shù)和積分參數(shù)。在加入環(huán)流抑制附加控制信號(hào)ucri_ref后，控制系統(tǒng)最終輸出上、下橋臂電壓參考信號(hào)upj_ref和Unj_ref，然后通過相應(yīng)的調(diào)制算法生成全波子模塊的脈沖觸發(fā)實(shí)現(xiàn)換流器的閉環(huán)控制。經(jīng)PSIM軟件仿真，ipa、ina、icira及ucira_ref的仿真波形如圖5所示，說明類PR控制器滿足MMC環(huán)流抑制要求。