一种基于准PR控制原理的MMC阀组环流抑制方法

1 引言

随着风电、光伏等分布式能源的广泛应用和智能电网的发展，柔性直流输电技术发展迅速。从传统的两电平电压源换流器拓扑到中性点钳位(NPC)的三电平拓扑，再到模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称MMC)在世界范围内都得到了广泛的研究和试验。尤其是最近，MMC技术在VSC-HVDC领域有着更大的吸引力。这种结构能够通过增加子模块数来灵活的适应电压和功率等级，而且MMC能降低开关频率，较大降低系统损耗，电压畸变小，从而不需要滤波器，使得MMC技术的优势非常明显。

2 MMC环流产生原理及控制策略

MMC拓扑结构由六个桥臂构成，其中每个桥臂由N个相互连接且结构相同的子模块与一个电抗器L串联构成，上下两个桥臂构成一个相单元。六个桥臂具有对称性，即各子模块的参数和各桥臂电抗值都是相同的。其结构如图1所示。

换流器中的单元并联于直流侧母线上，在运行时每个相单元产生的直流电压很难保持严格一致，因此就有环流在三个相单元间流动，MMC的各种控制方法，最终要通过控制三相6个桥臂各自的输出电压upj和unj来实现。为消除各相上、下桥臂电压和的不一致性，在桥臂电压upj和unj上同时减去一个大小等于ucirj的修正量，就可以抵消两个串联电抗器两端之间的电压，同时可间接控制换流器的内部电流icirj。由于这种修正是同时加载同相上下两个桥臂上，因此它不会影响MMC的外部特性，即MMC输出的电流电压和电流不会改变。利用这一特性，设计相应的内部环流抑制（Circulating Current Suppressing Controller，CCSC）。

满足上述环流抑制设计要求时的上、下桥臂电压参考值为

式中，I2f为二倍频环流峰值。

综上所述，环流只存在于换流器内部，独立于换流器外部所接电源或负荷。它是由各相上、下桥臂电压之和彼此不一致引起的，且此环流为二倍频负序性质，它在MMC三相桥臂间流动，对外部交流系统不产生任何影响。尽管桥臂电抗可以抑制环流大小，但是相单元间二倍频负序环流的存在仍会使桥臂电流发生畸变，也会影响电容电压的平衡控制，所以有必要采取适合的控制策略对电容电压平衡和环流进行协同控制。

在整流、逆变的控制系统中电流控制的传统控制方法采用坐标变换技术，将三相静止坐标系下的电流电压等正弦量转化为同步旋转坐标系下的直流量，然后分别对d、q轴分量采用PI控制。然而采用旋转坐标系下的PI控制要经过Clark和Park变换，而且d、q轴分量存在耦合，为了达到良好的控制效果需要进行解耦控制，在实现中由于解耦不精确会对控制效果产生一定的影响。

PR可以实现对交流输入的无静差控制。将PR用于网侧变换器的控制系统中，可在两相静止坐标系下对电流进行调节。可以简化控制过程中的坐标变换，消除电流d、q轴分量之间的耦合关系，且可以忽略电网电压对系统的扰动作用。此外，应用PR，易于实现低次谐波补偿，这些都有助于简化控制系统的结构。

3、准PR控制策略分析

PR，即比例谐振，由比例环节和谐振环节组成，可以对正弦量实现无静差控制，理想PR的传递函数如下所示：

式中Kp为比例项系数，Kr为谐振项系数，ω0为谐振频率。PR中的积分环节又被成为广义积分器，可以对谐振频率的正弦量实现幅值积分。与PI相比，PR可以达到零稳态误差，提高有选择抵抗电网电压的干扰能力。但是在实际系统应用中，PR的实现主要存在以下两个问题：

由于模拟系统元器件参数进度和数字系统精度的限制，理想PR不易实现。

理想PR在非基频处增益非常小，当电网频率产生偏移时，就无法有效抑制电网产生的谐波，会缓慢地发散，如图2所示。

由于理想PR无法在现实中实现，常用非理想PR代替，非理想PR的传递函数如下所示，式中ωc为准积分项的截止频率，且ωc<<ω0,非理想pr的波特图如图3所示，其中kp=1，kr=100，ω0=2*50π,ωc=0.001。< p="">

理想PR在谐振频率处的开环增益为无穷大，保证了输入量的无静差控制，在其他频率处的开环增益主要由比例项系数Kp决定，非理想PR在谐振频率处的幅值虽然不至于无穷，但可以通过增大谐振项系数Kr来保证对输入量的控制精度。

为抑制MMC内部的三相环流，在MMC内部环流数学模型的基础上，采用准PR直接控制换流器内部的三相两倍频环流，并设计了相应的环流抑制，理论上可以完全消除桥臂电流中的环流分量，大大减小了桥臂电流的畸变成分，使其更逼近正弦波。根据以上分析，设计的相应如图4所示。

其中，虚线部分为类PR，根据MMC内部环流数学模型及准PR参数分析，ωc= 5Hz，ω0=2πf=2×100πHz。Kp和kr分别表示中比例积分环节的比例参数和积分参数。在加入环流抑制附加控制信号ucri_ref后，控制系统最终输出上、下桥臂电压参考信号upj_ref和Unj_ref，然后通过相应的调制算法生成全波子模块的脉冲触发实现换流器的闭环控制。经PSIM软件仿真，ipa、ina、icira及ucira_ref的仿真波形如图5所示，说明类PR满足MMC环流抑制要求。