基于直流电流反馈的MMC-HVDC系统的中高频振荡抑制策略

2025-02-11 合作案例

模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）具有模块化程度高、输出谐波特性好、扩展性强的特点，成为柔性直流输电（modular multilevel convertor based high voltage direct current，MMC-HVDC）工程中的主流拓扑结构。随着MMC-HVDC工程的持续不断的发展，发生了多起中高频振荡事件：2017年鲁西直流工程发生了1270 Hz左右的振荡现象；2018年渝鄂直流工程在调试过程中发生了700 Hz和1800 kHz左右的振荡现象。后续在对振荡现象的研究中发现：MMC的底端控制环节及控制链路延时对MMC的中高频段阻抗特性影响较大。

《中国电力》2025年第1期刊发了辛业春等撰写的《基于直流电流反馈的MMC-HVDC系统的中高频振荡抑制策略》一文。文章建立了考虑多个控制环节及控制延时的MMC的交流侧阻抗模型，分析了各个控制环节及控制参数对MMC阻抗的影响规律。在电压前馈环节和电流内环的协同振荡抑制策略的基础上，提出了功率外环附加直流电流反馈的振荡抑制策略。在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中建立相应的仿真模型，验证了系统建模、理论分析及振荡抑制策略的正确性。

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（modular multilevel convertor based high voltage direct current，MMC-HVDC）系统存在的中高频振荡问题严重危胁电力系统的正常运行。首先，基于MMC的动态相量模型，建立了MMC的交流侧阻抗模型；其次，利用阻抗法分析控制环节及控制参数对MMC阻抗特性的影响，得到了功率外环、电流内环及控制链路延时是导致MMC呈现负阻尼特性的根本原因；再次，在分析现有基于电压前馈环节和电流内环的协同振荡抑制策略不足的基础上，提出了功率外环附加直流电流反馈的振荡抑制策略，极大程度消除系统中的谐波分量，改善了MMC的阻抗特性；最后，通过电磁仿真软件验证理论分析和抑制措施的正确性与有效性。

为公共耦合点（point of common coupling，PCC）处的电压；

由于MMC独特的拓扑结构及内部动态，在建立MMC模型时，非基频次谐波对系统的影响不能忽略。动态相量法能够保留对应变量的傅里叶系数中较大的系数项，使得模型能包含所有需要仔细考虑的谐波，确保建模的准确度。

基于动态相量法得到建立在dq轴下的MMC的10阶动态相量模型。该模型为MMC的电气部分模型。

MMC的动态相量模型建立在与电网电压矢量Us同步的dq旋转坐标系下；而MMC的控制管理系统建立在定位于锁相环测量得到的PCC点电压up的dcqc同步旋转坐标系下（控制坐标系下的变量用xc表示）。2种坐标系之间的关系如图2所示。

根据动态相量法，MMC的电气量可以表示为各次频率下傅里叶系数的叠加，则变量x(t)为

式中：下标“0”为变量的直流分量；下标“dk、qk”为变量在以k倍频旋转的dq同步旋转坐标系下的d、q轴分量；n为倍频数；ω为角频率。

式中：kpPLL和kiPLL分别为锁相环PI环节的比例和积分参数；ω0为电网角频率。

本文采用5阶Pade近似对控制延时进行拟合。以基频调制信号的d轴分量Md为例，Md经延时环节处理的动态方程为

式中：Mdz为控制管理系统输出的调制信号，经延时环节处理后得到Md；MdTi为由Pade近似引入的状态变量；T为延时时间。

将MMC的电气部分模型及控制管理系统模型联立，可得闭环MMC系统的非线性状态空间模型。

式中：为非线性状态空间模型线性后得到的相互关系矩阵；为上桥臂子模块总电容电压各个分量之间的相互关系矩阵；其余的相互关系矩阵见文献[20]。

本文对MMC交流侧的阻抗特性做多元化的分析，通过拉普拉斯变换得到MMC的频域小信号模型，经过矩阵运算得到MMC的交流侧阻抗模型为

基于建立的MMC阻抗模型，分析不同控制环节对MMC阻抗特性的影响。系统参数设置如表1所示。

分别改变不同控制环节的控制参数及控制链路延时，可得不同参数下MMC的阻抗特性如图3~7所示。能够准确的看出，MMC阻抗特性受锁相环和环流抑制控制的影响较小，在进行中高频振荡分析时可忽略其对MMC阻抗特性的影响；功率外环及电流内环主要影响MMC中高频段的阻抗特性，比例系数增大会导致MMC阻抗幅值出现较大的波动，并且会增大MMC阻抗的负阻尼频段，使其更容易与交流系统阻抗产生振荡现象，在对分析MMC中高频段阻抗特性时不可忽略；延时环节是影响MMC阻抗特性的重要的因素，控制链路延时的增大会导致系统的振荡风险频段向低频段转移，其作为导致MMC阻抗出现负阻尼特性的重要的因素，在对MMC建模及分析时不可忽略。

针对本文中MMC阻抗存在的2个负阻尼频段，在电压前馈环节附加由2个带阻滤波器级联组成的级联带阻滤波器。

在电压前馈环节分别附加截止频率为100 Hz的1阶、2阶低通滤波器以及级联带阻滤波器，MMC的阻抗特性如图8所示。

由图8能够准确的看出，通过在电压前馈环节附加级联带阻滤波器，可更好改善系统的负阻尼特性，MMC阻抗的负阻尼频段相较于附加低通滤波器时大大减小，但是仍旧没办法完全消除MMC的负阻尼频段。

为进一步优化MMC的阻抗特性，采用基于电压前馈环节和电流内环的协同振荡抑制策略（以下称为“策略1”）。该抑制策略的控制框图如图9所示。电压前馈环节采用2阶低通滤波器KLPF，电流内环附加带通滤波器KBPF。MMC的阻抗特性如图10所示。

由图10能够准确的看出，MMC的阻抗特性得到一定效果改善，但该策略对控制器参数的选取要求比较高。当电流内环的比例系数kpi=1.5时，采取该策略虽能提高系统的稳定性，但MMC的阻抗任旧存在负阻尼频段。虽能通过调整控制器参数消除振荡风险，但在复杂多端系统中对单个换流器进行参数优化，工作量过大，要进一步探究提高系统稳定性的振荡抑制策略。

在策略1的基础上，提出了功率外环附加直流电流反馈的振荡抑制策略（下文称为“策略2”）。该抑制策略的控制框图如图11所示。