网压不平衡下环流注入对模块化多电平换流器的影响分析
北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心、北京电动车辆协同创新中心的研究人员施恩泽、吴学智等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文，在网压不平衡工况下，采用开关函数、三维图分析及函数拟合的方法，给出合理的环流注入策略，实现模块化多电平换流器（MMC）桥臂电流峰值、模块电压波动的降低。
分析环流注入对桥臂电流峰值、有效值以及模块电压波动的影响，得出环流注入降低桥臂电流峰值的最佳相位与不同工况下注入环流幅值的限定公式，以及环流注入降低模块电压波动的最佳相位及其注入幅值的限定公式。
综合考虑桥臂模块电流、电压耐受能力后，提出一种可以实现桥臂电流峰值限定及模块电压波动限幅的环流注入控制方法。最后通过Matlab/Simulink仿真与实验平台验证了理论分析的正确性以及提出方法的有效性。
相较于传统的交流输电技术，柔性直流（Flexible- High Voltage Direct Current, F-HVDC）输电技术线路造价低，可控性强，损耗小，能解决可再生能源接入电网所带来的能量配置分散、输电距离较远、效率较低的问题，是未来高比例可再生能源电网建设的关键技术[1-4]。
具有灵活扩展性、稳定可控性、良好输出性的模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC），能满足柔性直流输电系统跨区域传送下，对抗干扰能力与安全传输性能的需求。由此，对MMC并网输电特性与控制的研究已成为时下国内外的热点[5-8]。
MMC在数学模型及基本控制方面与传统两电平电压源型变流器（Voltage Source Converter, VSC）有诸多相似之处[9,10]。但由于MMC拓扑结构的特殊性，模块电容均压以及桥臂环流控制成为了MMC稳定运行的首要考虑[11,12]。由于新能源发电的随机性、不稳定性、分布分散性，MMC送、受端功率不匹配、网压频率偏移以及各类电网异常现象普遍存在。
以交流侧电压不平衡为表现的MMC系统并网问题首当其冲。电网电压不平衡时，负序网压的存在会引起MMC输出功率的波动与输出电流的不平衡，同时也会加剧MMC内部模块电压与桥臂电流的波动，并使三相功率分配及桥臂环流产生变化，增加开关元件的电压、电流应力，甚至会导致子模块开关器件保护闭锁，引起MMC内部元器件的损伤[13,14]。
因此在网压不平衡情况下，除需考虑MMC直流侧电压稳定、交流侧功率、电流平衡外，还需保证MMC内部电压电流在合理范围内，保证其安全稳定运行。
当前，MMC网压不平衡下的控制研究主要集中在两个方面：①调节输出电流，实现不同的控制目标[15-18]；②注入桥臂环流，改善内部电气波动[19,20]。文献[17]提出了网压不平衡时模块化多电平换流器的控制策略，通过改变内部电流指令可以分别实现有功平衡、电流对称、无功平衡的控制目标；并通过环流抑制的方法保证了直流侧电压的稳定，限制了不平衡波动的危害范围。
文献[18]分析了交流系统不平衡程度以及不同控制目标对MMC内部电气量的影响，并得出了优先选择并网电流平衡的控制目标有利于系统安全运行的结论。文献[19]以单相MMC为例，通过注入二次、四次环流的方式，减小了子模块电容电压的波动。文献[20]将网压跌落下输出电流对称为控制目标，基于平均模型，得到网压不平衡下MMC子模块电压波动的各次分量，并以二次环流注入的方式减小了子模块电压的波动。
当前，网压不平衡下MMC的环流注入控制仍有以下缺点：①对环流注入及其效果的研究仍以定性为主，注入环流幅值、相位的选取缺乏定量的依据；②未考虑环流注入对MMC桥臂电流峰值、有效值（Root Mean Square, RMS）的影响；③对网压不平衡下各种控制目标的考虑不够完善，且缺乏相应的实验验证。
本文以减小网压不平衡下MMC的桥臂电流峰值、模块电压波动为目标，基于开关函数模型，采用三维图及函数拟合的方法：①分析了桥臂直流环流以及环流注入对桥臂电流峰值、有效值的影响，得出了网压不平衡下环流注入降低桥臂电流峰值的最佳相位以及环流注入幅值的限定公式；②以减小模块电压最大波动为目的，得出了环流注入的最佳相位下及注入幅值的限定公式；③通过对MMC桥臂模块电压、电流承受能力的综合考虑，提出了相应的环流注入控制系统。
本文所提出的环流注入方法，能在最佳的环流注入相位下，根据子模块耐压、耐流能力的不同，实时调整注入环流的幅值，从而适应不同工作场合的需要。最后通过Matlab仿真与样机实验对本文理论进行了验证。
图1 MMC拓扑结构
图11 环流控制系统
本文在MMC网压不平衡工况下，以环流注入降低桥臂电流最大峰值、模块电压最大波动为研究目标，得到如下结论：
1）桥臂电流峰值、模块电压波动随环流注入幅值、相位的不同呈现出三维变化；在相同的环流注入幅值下，存在最佳相位，可使桥臂电流峰值与模块电压波动最大程度的降低；降低桥臂电流最大峰值的最佳相位恒为90°，降低模块电压最大波动的最佳相位为270°减去功率因数角。
2）最佳相位下，环流注入幅值与桥臂电流最大峰值的降低、模块电压最大波动的降低呈现非单调关系且存在最大值。环流注入最大幅值的选取与功率因数角、控制目标相关且呈现复杂变化。实际中，可忽略控制目标对环流注入最大幅值的影响，采用只含功率因数角的一次方程表示环流注入的最大幅值。
3）环流注入会同时引起桥臂电流峰值、有效值以及模块电压波动的变化。故在环流注入的选择上，应综合考虑环流注入对三者的共同影响：①防止桥臂电流峰值减小后，引起模块电压波动过大；②防止模块电压波动减小后，引起桥臂电流峰值过大；③防止桥臂电流有效值过大而导致系统输出功率的降低以及桥臂模块的严重发热。