摘要
北京交通大學國家能源主動配電網技術研發中心、北京電動車輛協同創新中心的研究人員施恩澤、吳學智等，在2018年第16期《電工技術學報》上撰文，在網壓不平衡工況下，採用開關函數、三維圖分析及函數擬合的方法，給出合理的環流注入策略，實現模塊化多電平換流器（MMC）橋臂電流峰值、模塊電壓波動的降低。
分析環流注入對橋臂電流峰值、有效值以及模塊電壓波動的影響，得出環流注入降低橋臂電流峰值的最佳相位與不同工況下注入環流幅值的限定公式，以及環流注入降低模塊電壓波動的最佳相位及其注入幅值的限定公式。
綜合考慮橋臂模塊電流、電壓耐受能力後，提出一種可以實現橋臂電流峰值限定及模塊電壓波動限幅的環流注入控制方法。最後通過Matlab/Simulink仿真與實驗平臺驗證了理論分析的正確性以及提出方法的有效性。
相較於傳統的交流輸電技術，柔性直流（Flexible- High Voltage Direct Current, F-HVDC）輸電技術線路造價低，可控性強，損耗小，能解決可再生能源接入電網所帶來的能量配置分散、輸電距離較遠、效率較低的問題，是未來高比例可再生能源電網建設的關鍵技術[1-4]。
具有靈活擴展性、穩定可控性、良好輸出性的模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC），能滿足柔性直流輸電系統跨區域傳送下，對抗干擾能力與安全傳輸性能的需求。由此，對MMC併網輸電特性與控制的研究已成為時下國內外的熱點[5-8]。
MMC在數學模型及基本控制方面與傳統兩電平電壓源型變流器（Voltage Source Converter, VSC）有諸多相似之處[9,10]。但由於MMC拓撲結構的特殊性，模塊電容均壓以及橋臂環流控制成為了MMC穩定運行的首要考慮[11,12]。由於新能源發電的隨機性、不穩定性、分佈分散性，MMC送、受端功率不匹配、網壓頻率偏移以及各類電網異常現象普遍存在。
以交流側電壓不平衡為表現的MMC系統併網問題首當其衝。電網電壓不平衡時，負序網壓的存在會引起MMC輸出功率的波動與輸出電流的不平衡，同時也會加劇MMC內部模塊電壓與橋臂電流的波動，並使三相功率分配及橋臂環流產生變化，增加開關元件的電壓、電流應力，甚至會導致子模塊開關器件保護閉鎖，引起MMC內部元器件的損傷[13,14]。
因此在網壓不平衡情況下，除需考慮MMC直流側電壓穩定、交流側功率、電流平衡外，還需保證MMC內部電壓電流在合理範圍內，保證其安全穩定運行。
當前，MMC網壓不平衡下的控制研究主要集中在兩個方面：①調節輸出電流，實現不同的控制目標[15-18]；②注入橋臂環流，改善內部電氣波動[19,20]。文獻[17]提出了網壓不平衡時模塊化多電平換流器的控制策略，通過改變內部電流指令可以分別實現有功平衡、電流對稱、無功平衡的控制目標；並通過環流抑制的方法保證了直流側電壓的穩定，限制了不平衡波動的危害範圍。
文獻[18]分析了交流系統不平衡程度以及不同控制目標對MMC內部電氣量的影響，並得出了優先選擇併網電流平衡的控制目標有利於系統安全運行的結論。文獻[19]以單相MMC為例，通過注入二次、四次環流的方式，減小了子模塊電容電壓的波動。文獻[20]將網壓跌落下輸出電流對稱為控制目標，基於平均模型，得到網壓不平衡下MMC子模塊電壓波動的各次分量，並以二次環流注入的方式減小了子模塊電壓的波動。
當前，網壓不平衡下MMC的環流注入控制仍有以下缺點：①對環流注入及其效果的研究仍以定性為主，注入環流幅值、相位的選取缺乏定量的依據；②未考慮環流注入對MMC橋臂電流峰值、有效值（Root Mean Square, RMS）的影響；③對網壓不平衡下各種控制目標的考慮不夠完善，且缺乏相應的實驗驗證。
本文以減小網壓不平衡下MMC的橋臂電流峰值、模塊電壓波動為目標，基於開關函數模型，採用三維圖及函數擬合的方法：①分析了橋臂直流環流以及環流注入對橋臂電流峰值、有效值的影響，得出了網壓不平衡下環流注入降低橋臂電流峰值的最佳相位以及環流注入幅值的限定公式；②以減小模塊電壓最大波動為目的，得出了環流注入的最佳相位下及注入幅值的限定公式；③通過對MMC橋臂模塊電壓、電流承受能力的綜合考慮，提出了相應的環流注入控制系統。
本文所提出的環流注入方法，能在最佳的環流注入相位下，根據子模塊耐壓、耐流能力的不同，實時調整注入環流的幅值，從而適應不同工作場合的需要。最後通過Matlab仿真與樣機實驗對本文理論進行了驗證。
圖1 MMC拓撲結構
圖11 環流控制系統
結論
本文在MMC網壓不平衡工況下，以環流注入降低橋臂電流最大峰值、模塊電壓最大波動為研究目標，得到如下結論：
1）橋臂電流峰值、模塊電壓波動隨環流注入幅值、相位的不同呈現出三維變化；在相同的環流注入幅值下，存在最佳相位，可使橋臂電流峰值與模塊電壓波動最大程度的降低；降低橋臂電流最大峰值的最佳相位恆為90°，降低模塊電壓最大波動的最佳相位為270°減去功率因數角。
2）最佳相位下，環流注入幅值與橋臂電流最大峰值的降低、模塊電壓最大波動的降低呈現非單調關係且存在最大值。環流注入最大幅值的選取與功率因數角、控制目標相關且呈現複雜變化。實際中，可忽略控制目標對環流注入最大幅值的影響，採用只含功率因數角的一次方程表示環流注入的最大幅值。
3）環流注入會同時引起橋臂電流峰值、有效值以及模塊電壓波動的變化。故在環流注入的選擇上，應綜合考慮環流注入對三者的共同影響：①防止橋臂電流峰值減小後，引起模塊電壓波動過大；②防止模塊電壓波動減小後，引起橋臂電流峰值過大；③防止橋臂電流有效值過大而導致系統輸出功率的降低以及橋臂模塊的嚴重發熱。
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電工技術學報
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電氣技術
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