基于陷波器改進PIR的MMC環流抑制策略

王 通，段恩業，王 愛，匡艷普

(1.江蘇蘇鹽井神股份有限公司熱電分公司,江蘇 淮安 223200;2.江蘇蘇鹽井神股份有限公司,江蘇 淮安 223200;3.清河街道辦事處,江蘇 淮安 223001)

0 引言

伴隨高壓直流輸電技術的不斷完善,采用MMC(電網換相換流器)換流器的傳統高壓直流輸電系統已經十分完善。傳統高壓直流輸電適用于遠距離、大容量的輸電工程[1]。由電網換相換流器構成的高壓直流輸電系統具有建造成本低、功耗低、傳輸容量大等優點,在實際應用中,高壓直流輸電系統在遠距離輸電中性能較好。其關鍵在于LCC-MMC換流器能夠實現遠距離輸電和電網互聯[2]。

目前,無論是針對MMC環流抑制還是故障控制策略等方面的研究取得了一定的成績,但是在對MMC中環流抑制策略的準確方面,還有待進一步的研究完善。文獻[3]在基本控制策略的基礎上,研究了附加控制策略,以改善系統對電壓不均問題的響應特性,整流側交流系統故障時整流側功率傳輸中斷的問題,以及逆變側交流系統故障時逆變側直流過電壓問題。在文獻[4]中,為了能夠解決系統逆變側的交流故障,主要利用了其運行的特點,開發出了一種能夠控制在過電壓觸發角的新策略,當交流系統在逆變側發生故障時,可以降低傳輸系統逆變側的過電壓。參考文獻[5]針對交流系統產生的穿越能力故障問題,通過提高其控制器的參數,同時實現在交流電壓出現下降的情況下,實現實時針對系統的控制能力進行測試。文獻[6]針對直流線路出現的短路問題,提出了能夠在其出現短路故障的時候,直流電系統依然持續進行電力的傳輸。文獻[7]分析了各種情況下,混合直流輸電系統的控制策略。注重變頻器在各種工況下無阻塞安全的運行,提出了不間斷運行控制策略。

由于LCC-MMC換流器中存在環流,導致換流器產生額外的損耗,橋臂電流波形因此會產生畸變,因此,本文提出一種基于陷波器的改進PIR控制器的環流抑制策略。

1 MMC相間環流機理分析

為了能夠抑制橋臂中的環流,首先應該分析MMC相間環流的機理。由于MMC是對稱結構,本文以A相為例進行分析,其等效電路如圖1所示,R為橋臂電阻,Larm為橋臂等效電感[8]。

圖1 MMC單相等效電路

根據基爾霍夫定理可以列出上下橋臂的電壓方程:

(1)

(2)

將等式(1)和(2)化簡,得到交、直流側的數學模型:

(3)

(4)

其中:Ea為A相的電動勢,iza為A相內部電流,其方程如下:

(5)

橋臂電壓可表示為:

(6)

橋臂電流可表示為:

(7)

其中:j為功率因數角,m為電流調制比。

由此橋臂的瞬時功率可以表示為:

(8)

將上下橋臂功率分別積分相加得到A相瞬時功率的交流分量:

(9)

直流分量為:

(10)

但橋臂電流中不僅含有基波分量,還有2倍頻交流分量,為了能夠精確地計算出環流的大小,應該對式(6)進行改進為:

(11)

因此橋臂電流也存在一個2倍頻的交流分量,橋臂電流應表示為:

(12)

其中,U2f為2倍頻環流峰值。

對上、下橋臂電壓電流積分,可以得到交流電壓表達式,相電壓中包含一個4倍頻分量,另外還存在一個交流分量,根據改進的方程可以通過積分得到其能量。通過計算可以得出:環流電流僅存在偶數次諧波,6n-4次是負序諧波,6n-2次是正序諧波,6n次是零序諧波。而且諧波等級越高,其含量越少。本文主要對二次諧波和四次諧波進行分析。

2 MMC環流抑制策略

2.1 傳統環流抑制策略

準比例諧振(PR)控制器是目前最常用的一種傳統環流抑制控制器,對交流信號而言,該控制器能夠實現無靜差調節。2倍頻環流抑制時,不需要進行坐標變換和相間解耦控制,環流的實際值主要通過上、下橋臂的橋臂電流值得到,將環流的參考值與實際值比較得出環流偏差值,然后進行準PR控制,從而控制環流的實際值在參考值附近變化[9]。其中,環流的參考值一般設置為0,將會造成一定的誤差。

2.2 改進的環流抑制控制策略

在分析了MMC相間環流的機理中,可以得到二次諧波與四次諧波環流是環流的主要成分,高階環流是由低階引起的,因此可以通過減小二次諧波與四次諧波來抑制換流器中的環流。

傳統的PI環流抑制控制器只能對單一的2倍頻分量具有抑制效果,不能夠很好的抑制環流中的4倍頻和6倍頻等高次諧波分量。為了解決此問題,本文提出對環流中的二次和四次諧波分量分別進行抑制的環流抑制方法。

利用2倍頻陷波器與4倍頻陷波器預處理,分別提取橋臂環流中的二次諧波分量與四次諧波分量。陷波器的傳遞函數為:

(13)

式中:ω表示陷波器的角頻率;t=1/(2Q)中Q表示陷波器的品質因數。

本文采用PI和PR控制器并聯的方式來抑制子模塊的環流,并聯后的傳遞函數為:

(14)

式中:kp為比例系數;kr為諧振系數;wc為響應帶寬;wn為陷波器的轉折頻率。得出的控制策略如圖2所示。

圖2 PIR控制策略

2倍頻分量和4倍頻分量兩部分共同構成PIR控制策略。2倍頻用來消除二次負序諧波分量,因此采用2倍頻負序旋轉坐標,4倍頻用來消除4次正序諧波分量,同理采用正序旋轉坐標變換。用復合PIR控制器代替傳統PI控制器來抑制環流,消除衍生出來的高次諧波分量。

3 仿真分析

為了驗證所提的環流抑制控制策略的效果,在PSCAD/EMTDC仿真系統搭建特高壓三相混合直流輸電工程中,對環流抑制器啟動和未啟動時進行仿真,上文的式(14)中取kp=3.5、ki=50、kr=60,得到的電壓、電流波形如下:

由圖3可以得出,環流抑制器未啟動時,環流幾乎不對MMC直流側的電壓和電流產生影響,同時也不會使交流側的電壓和電流產生畸變。

圖3 改進環流抑制器未啟動時MMC側電壓和電流

由圖4可以看出環流抑制器未啟動時,A相橋臂電流由于環流的存在發生了畸變。

圖4 改進環流抑制器啟動前A相上橋臂電流

在t=1 s時,環流抑制控制器開始啟動,通過仿真得到的波形如下圖所示。

圖5為環流抑制器啟動后MMC側直流電壓、電流以及交流電壓、電流波形,對比圖4環流抑制器啟動前的電壓、電流波形,可以得出:換流站內部環流對直流電壓、電流以及交流電壓、電流幾乎沒有影響。

圖5 改進環流抑制器啟動后MMC側電壓和電流

由圖6可以得出,環流抑制器啟動后明顯改變了橋臂電流的畸變程度,有效抑制了換流站的相間環流得到有效的抑制。

圖6 改進環流抑制器啟動后A相橋臂電流

如表1中序號2的波形所示,波形總諧波畸變率(THD)從原來的44.65%,減小到4.2%,相對于傳統PR控制器的抑制效果6.3%,提高了2.1%。

表1 A相橋臂電流畸變率(THD)的不同抑制器結果

4 結論

本文對MMC相間環流的機理進行分析,得出環流主要為偶次諧波,并且二次諧波與四次諧波為主要分量,提出的一種基于陷波器改進PIR控制器的環流抑制策略,通過仿真結果分析得出此方法可以有效地改善橋臂電流畸變現象,在一定程度上減小環流的幅度,并且MMC內部環流限制在一定范圍內,不會對交流側和直流側輸出電壓、電流產生負面影響。