MMC-HVDC无源性PI稳定控制与环流抑制方法

由天下分享时间：2025/1/3 23:28:17 加入收藏我要投稿点赞

薛花1，李杨2，王育飞1，杨兴武1，刘卫东3

【摘要】摘要：模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter, MMC)日益广泛应用于高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)技术中，但MMC的多变量、强非线性特性，使其稳定控制问题成为拓展应用的瓶颈所在。从能量耗散和环流抑制的角度出发，基于MMC动态数学模型，直接在abc静止坐标系下建立双线性Lagrange方程。以均衡子模块电容电压为目标设计能量函数，结合PI控制简单架构，提出新型的无源性PI控制方法，使系统沿Lagrange积分最小化轨迹移动。在满足系统全局渐进稳定的前提下，实现期望轨迹的快速跟踪。针对MMC-HVDC环流产生的变流器损耗增加问题，设计MMC环流控制器，获得无源性PI控制环节桥臂电压补偿量，实现电容电压平稳和环流有效抑制。仿真结果表明所提出的方法具有响应快速、稳定性高、鲁棒性强的特点。

【期刊名称】电力系统保护与控制【年(卷),期】2017(045)019 【总页数】8

【关键词】模块化多电平变流器；无源性PI控制；环流抑制；双线性Lagrangian方程

0 引言

近年来，随着高压直流输电系统(High Voltage Direct Current, HVDC)的快速发展，传统两电平逆变器由于器件耐压性能及控制性能不再能够满足应用需求，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)在HVDC系统中

得到了日益广泛的应用与推广[1-5]。MMC具有结构扩展性强、子模块耐压需求小和开关频率低的特点，被认为是一种最适合应用于高压大功率电能变换与传输的多电平换流器拓扑，但MMC本身的多变量、强非线性特性和环流损耗的问题，使MMC的稳定控制和环流抑制成为其实现进一步推广应用的瓶颈所在[6-10]。

MMC-HVDC系统自2010年在美国首次实现工程应用以来，主要采用矢量控制方法，但在功率变化范围宽、系统参数发生摄动等情形下，矢量控制方法往往无法保持优良的动、静态性能，甚至出现系统失稳、控制失败的情况[11-14]。针对MMC的多变量、强耦合、非线性特性，多种非线性控制方法从稳定性角度出发，设计抗扰性优、鲁棒性强的控制系统，取得了较好的应用效果[15-19]。但由于MMC的控制系统需考虑交流侧电流控制、环流控制与各模块电容电压的平衡控制等诸多因素，控制器结构复杂，完成整个控制算法需要较长时间，这些控制延时会严重影响控制器性能。无源性控制(Passivity-Based Control, PBC)较其他非线性方法，具有结构简单、易于实现的优势，PBC方法从能量角度出发，采用适当阻尼注入或能量函数规划的方式，设计全局稳定控制器，使系统存在外部干扰或内部参数摄动情形下，依然稳定运行在期望工作点，实现期望轨迹的跟踪零误差[20-25]。文献[23]在dq坐标系下提出适于MMC的无源性控制律，设计内环电流PBC方法，实现系统有功功率和无功功率的解耦控制，控制效果与稳定性皆优于矢量控制方法；文献[24]设计基于互联和阻尼分配的MMC无源性控制器，在交流侧和直流侧电压阶跃变化条件下，都可实现系统全局稳定性；文献[25]将PBC方法作为外环，与内环滑模控制方法相结合，实现MMC系统负载突变时的稳定控制。现有PBC方法多数基于坐标变换，设

计Eular-Lagrange方程，实现解耦稳定控制，但坐标变换会增加控制器设计的复杂度，能否省去变换环节，进一步简化PBC设计，提升参数摄动自适应能力，实现易于应用、性能优良、稳定域宽、鲁棒性好的PBC方法，为非线性控制研究提供新思路。

本文基于MMC动态数学模型，直接在abc静止坐标系下，建立双线性Lagrange方程，分析系统的严格无源特性，为简化PBC方法设计准备条件。基于双线性模型，设计Lagrange动态可逆规划轨迹，与简单的PI控制有机结合，提出更为简洁实用的无源性PI控制新方法，实现系统期望轨迹快速跟踪的同时，满足全局渐进稳定需求。为更好地抑制环流，减少变流器损耗和平稳电容电压，设计MMC-HVDC环流控制器，在无源性PI控制环节桥臂电压量的基础上叠加补偿量，实现有效的环流抑制。搭建MMC-HVDC仿真系统，对无源性PI方法的稳定控制和环流抑制性能进行测试与验证，通过与传统矢量控制方法作对比分析，结果表明：所提出方法具有结构简单、自由度宽、稳定性高、鲁棒性强的特点，易于工程实现。

1 MMC-HVDC数学模型

1.1 MMC-HVDC动态数学模型

HVDC单侧MMC电路结构及子模块示意图如图1所示，每相上、下桥臂分别有N个子模块，每个子模块由一个半桥电路并联直流电容构成。为抑制子模块切入切出造成的电压不平衡，每个桥臂串联一个小电感。MMC-HVDC系统由图1所示的两个对称结构级联而成。

若设由插入系数(i表示上、下桥臂，取值分别为u、l；j表示相数，取值分别为a、b、c)控制桥臂通断，则定义当桥臂所有子模块被旁通时，；当桥臂所有子模

块都接入时，。

定义每个桥臂子模块电容值为C、桥臂串联电容值为Carm，则有插入的有效电容值为 (2)

式中：i表示上、下桥臂，取值分别为u、l；j表示相数，取值分别为a、b、c。在abc静止坐标系下，以桥臂间环流最小、能量均衡为目标建立MMC动态数学模型。定义(i=u, l；j=a, b, c)为桥臂的可变电压，则桥臂插入电压为定义桥臂充电电流为，则桥臂总电容电压可表示为 (4)

定义每相输出电流为、每相环流为，则满足：可以推得： (6)

由式(2)和式(4)可得：

MMC单相等效电路如图2所示，定义每个桥臂电阻为R0和电感为L0、与电网连接的线路集总电阻为Rac、集总电感为Lac，则由基尔霍夫电压定律可得： (10) (11)

由式(6)、式(9)和式(10)得电流和微分方程：式中：表示等效电阻；表示等效电感。

将式(5)代入式(7)和式(8)可得上桥臂总电压和下桥臂总电压微分方程：式(12)和式(13)构成MMC系统动态数学模型状态空间方程。