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💥第一部分——内容介绍

基于模块化多电平（MMC）两端柔性直流输电系统的研究

摘要：本文聚焦于基于模块化多电平换流器（MMC）的两端柔性直流输电系统，深入分析其基本工作原理、系统参数设计以及相关控制策略。介绍了柔性直流输电的拓扑结构、发展状况与前景，阐述了MMC-HVDC控制策略的研究现状。详细分析MMC的基本结构与工作原理，建立系统的低频动态数学模型。在主电路设计方面，给出关键参数选取方法，并针对桥臂环流问题提出抑制策略。研究系统外环与电流内环控制器设计，以及交流系统故障工况下的控制目标实现方法。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的正确性与有效性。

关键词：柔性直流输电；模块化多电平；环流抑制；电压平衡

一、引言

随着全球能源需求的持续增长和能源结构的深度调整，可再生能源在电力系统中的占比不断攀升。风能、太阳能等分布式能源具有间歇性、波动性的特点，传统的交流输电技术在应对这些特性时面临诸多挑战，如电压波动、功率因数降低以及远距离输电损耗较大等问题。在此背景下，柔性直流输电技术应运而生，成为解决现代电力传输难题的关键技术之一。

柔性直流输电技术，即基于电压源换流器（VSC）的直流输电技术（VSC-HVDC），与传统的基于电流源换流器（LCC）的直流输电技术相比，具有显著优势。VSC-HVDC采用可关断电力电子器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT），能够实现对有功功率和无功功率的独立快速控制，响应速度远小于交流系统的基波周期，结合适当的控制策略能够迅速、准确地实现功率的连续调节。即使在并网系统电压较低的情况下，VSC仍旧能够输出额定的容性电流，这对于维持电力系统的稳定性极为重要。此外，其高频调制频率使系统的谐波电流很小，可有效降低滤波器的容量，且运行基本不受接入点短路容量的限制，不会出现换相失败的故障。

在柔性直流输电系统中，模块化多电平换流器（MMC）占据着核心地位，是实现高效、可靠直流输电的关键设备。MMC由多个子模块（SM）串联组成，每个子模块包含一个半桥或全桥的开关电路以及一个储能电容。通过精准控制子模块中开关电路的通断状态，可实现对输出电压的精确调控，其输出电压由所有子模块电容电压叠加而成，通过灵活增减子模块数量，能够适应不同的电压等级和功率需求。与两电平结构相比，MMC采用模块化设计，非常易于拓展，开关损耗较小，更适用于高压直流输电场合。因此，深入研究基于MMC的两端柔性直流输电系统具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、柔性直流输电的拓扑结构与发展状况

2.1 拓扑结构

目前柔性直流输电所采用的拓扑结构主要有级联型、串联型和中点箝位型等。级联型MMC由多个独立的二极管 - 晶体管（D-T）单元级联而成，每个单元包含一个二极管和一个晶体管，通过控制晶体管的开关动作，实现多电平输出。这种拓扑结构具有输出电压等级高、谐波含量低等优点，例如±800kV特高压直流输电工程中的换流站就采用了级联型MMC技术，单极最大输电能力达到12GW。串联型MMC是将多个MOSFET串联，通过控制每个MOSFET的开关状态，实现多电平输出，其优点是开关频率较高，适用于高频应用场景，如在电动汽车充电站中，串联型MMC可以实现高频电能转换，提高充电效率。中点箝位型MMC是一种将多个D-T单元串联，并在每个单元之间添加箝位二极管的拓扑结构，通过箝位二极管限制开关器件的电压应力，提高系统的可靠性，在高压、大功率应用场景中具有显著优势，如±500kV高压直流输电系统中，中点箝位型MMC的应用显著降低了系统损耗，提高了输电效率。

2.2 发展状况

国外在柔性直流输电技术的研究方面起步较早，技术成熟度较高。欧洲、北美和亚洲的部分国家已经在实际工程中广泛应用柔性直流输电技术。例如，挪威的Bjørnafjell高压直流输电项目是世界上第一个商业运行的柔性直流输电项目，于2010年投入运行；美国加州的FlexConnect项目和加拿大的Bruce - Goose Bay高压直流输电项目也相继投运。

在国内，柔性直流输电技术的研究和应用也取得了显著进展。近年来，我国政府大力推动清洁能源的发展，柔性直流输电技术得到了广泛应用。如青藏高原的±800kV青藏联网工程，是世界上海拔最高的高压直流输电工程，标志着我国在柔性直流输电领域的技术实力；±1100kV昌吉 - 乌鲁木齐特高压直流输电工程也正在建设中，这将进一步提升我国在柔性直流输电技术领域的国际竞争力。

2.3 发展前景

随着新能源的快速发展，柔性直流输电系统的研究趋势主要集中在以下几个方面：一是提高换流器性能，降低系统损耗；二是优化控制策略，提高系统稳定性；三是拓展应用领域，如孤岛供电、微电网等。在这一背景下，基于MMC的柔性直流输电技术凭借其模块化设计、优异的电能质量和灵活的控制方式，将在未来的电力传输领域发挥更加重要的作用。

三、MMC-HVDC控制策略研究现状

3.1 调制策略

调制策略是影响MMC-HVDC系统性能的关键因素之一。常见的调制策略有空间矢量调制（SVM）、脉冲宽度调制（PWM）和最近电平调制（NLM）等。空间矢量调制通过对电压矢量的优化选择和作用时间的精确计算，能够有效降低开关损耗，提高直流电压利用率，进一步改善输出波形质量。例如，德国的研究团队提出了一种改进的SVM算法，在柔性直流输电系统中得到了广泛应用。脉冲宽度调制技术通过合理设置载波相位，使各子模块的开关信号相互错开，有效降低了输出电压的谐波含量，提高了系统的运行效率。国内学者提出的基于载波移相的脉冲宽度调制（CPS - PWM）技术，结合智能算法和优化理论，实现了调制策略的自适应调整，以适应不同的运行工况和系统需求。最近电平调制适用于子模块数量较多的MMC系统，通过选择最接近参考电压的电平来输出，具有计算量小、实现简单等优点。

3.2 环流抑制策略

MMC内部存在桥臂环流，会增加系统损耗并影响系统性能。因此，环流抑制是MMC-HVDC控制策略研究的重要内容之一。基于比例积分（PI）控制器的环流抑制策略被广泛研究和应用，通过对环流分量的实时检测和反馈控制，能够有效抑制环流，提高换流器的运行效率和可靠性。例如，在基于SIMULINK的模块化多电平变换器（MMC）仿真模型设计中，通过增加虚拟电阻抑制环流，即在控制策略中引入虚拟电阻，增加环流回路的阻尼，从而抑制环流的产生。此外，自适应控制、滑模变结构控制等先进控制理论也被引入环流控制中，以提高控制策略的鲁棒性和动态性能。

3.3 电压平衡控制策略

子模块电容电压均衡是保证MMC正常运行的关键。如果子模块电容电压不平衡，会导致输出电压波形畸变，增加系统损耗，甚至影响系统的稳定性。常见的电压平衡控制策略有排序均压策略和基于模型预测控制的均压策略等。排序均压策略通过实时监测子模块电容电压，按照一定的规则选择投入或切除的子模块，以实现电容电压的均衡。在最近电平调制中，优先选择电容电压较低的子模块投入，能够有效平衡电容电压。基于模型预测控制的均压策略则通过建立系统的预测模型，提前预测子模块电容电压的变化趋势，从而采取相应的控制措施，实现电容电压的精确控制。

3.4 不平衡工况下控制策略

在实际运行中，交流系统可能会出现不平衡工况，如三相电压不平衡、故障等。在这种情况下，MMC-HVDC系统需要采取相应的控制策略，以保证系统的稳定运行和功率传输。常见的控制策略有负序电压补偿控制、正负序双环控制等。负序电压补偿控制通过检测交流系统的负序电压，产生相应的补偿电压，以消除负序电压对系统的影响。正负序双环控制则将交流系统的正序分量和负序分量分别进行控制，实现对有功功率和无功功率的独立调节，提高系统在不平衡工况下的运行性能。

四、MMC的基本结构和工作原理

4.1 基本结构

MMC的基本结构由多个子模块（SM）串联组成，每个子模块通常包含两个IGBT和一个电容。根据子模块的结构不同，可分为半桥型子模块（HB - SM）和全桥型子模块（FB - SM）。半桥型子模块由两个IGBT和一个电容组成，结构简单，功率半导体器件少、损耗低，但是缺乏直流故障穿越能力。全桥型子模块由四个IGBT和一个电容组成，具备直流故障穿越能力，但功率半导体器件多、损耗较高。

4.2 工作原理

MMC通过控制子模块中IGBT的通断状态，实现输出电压的调节。以半桥型子模块为例，当上IGBT导通、下IGBT关断时，子模块输出电容电压；当上IGBT关断、下IGBT导通时，子模块输出电压为0。通过合理控制每个子模块的输出状态，将所有子模块的输出电压叠加，就可以得到MMC的输出电压。在三相MMC中，每相由上下两个桥臂组成，通过控制上下桥臂子模块的投入数量，可以实现对交流输出电压和电流的控制。

五、MMC-HVDC系统的基本组成结构和工作特性

5.1 基本组成结构

MMC-HVDC系统主要由换流站、直流输电线路和受端系统三部分组成。换流站是系统的核心部分，负责将交流电能转换为直流电能，或将直流电能转换为交流电能。换流站通常包括交流侧和直流侧，交流侧包括变压器、滤波器、断路器等设备，直流侧包括换流器、直流线路、直流断路器等设备。以我国±800kV特高压直流输电工程为例，该工程换流站采用双极直流输电方式，每极直流输电能力为12GW，换流站占地面积约为30万平方米。

5.2 工作特性

MMC-HVDC系统具有高电压、大功率、低谐波等优点。由于其模块化设计，易于扩展，能够适应不同的电压等级和功率需求。同时，MMC-HVDC系统可以实现有功和无功的独立控制，具有良好的动态响应性能和故障穿越能力。在新能源并网方面，MMC-HVDC系统能够有效解决新能源的间歇性和波动性问题，提高新能源的消纳能力；在远距离孤立负荷供电方面，MMC-HVDC系统可以减少输电损耗，提高供电可靠性；在异步电网互联方面，MMC-HVDC系统能够实现不同频率、不同电压等级电网之间的互联，促进电力资源的优化配置。

六、MMC-HVDC系统的低频动态数学模型

为了设计交流输出电压和电流的控制器，需要建立MMC-HVDC系统的低频动态数学模型。在建立数学模型时，通常采用基于开关函数理论的模型，将换流器的开关元件用理想的开关函数来表示，并考虑换流器的内阻、杂散电容等因素。

假设MMC三相平衡，忽略高次谐波，只考虑基波分量。设交流侧三相电压为usa、usb、usc，三相电流为isa、isb、isc，直流侧电压为Udc，直流侧电流为Idc。每相上下桥臂的电压分别为upu、upl，电流分别为ipu、ipl。

根据基尔霍夫电压定律和电流定律，可以得到MMC-HVDC系统的低频动态数学模型：

交流侧电压方程：编辑

通过上述方程，可以建立MMC-HVDC系统的状态空间模型，为后续的控制器设计提供基础。

七、主电路设计及关键参数选取

7.1 主电路设计

主电路设计是MMC-HVDC系统设计的重要环节，主要包括换流器的设计、直流输电线路的设计和受端系统的设计。换流器的设计需要考虑子模块的数量、电容的参数、IGBT的选型等因素。直流输电线路的设计需要考虑线路的电阻、电感、电容等参数，以及线路的绝缘水平和机械强度。受端系统的设计需要考虑变压器的参数、滤波器的设计等因素。

7.2 关键参数选取

7.2.1 子模块数量

子模块数量的选取直接影响MMC的输出电压等级和谐波含量。一般来说，子模块数量越多，输出电压等级越高，谐波含量越低，但同时也会增加系统的成本和复杂度。在实际设计中，需要根据系统的电压等级、功率需求和成本等因素综合考虑，选择合适的子模块数量。

7.2.2 电容参数

子模块电容的参数选取对系统的性能有重要影响。电容值过小，会导致电容电压波动较大，影响输出电压的稳定性；电容值过大，会增加系统的成本和体积。通常根据系统的功率等级、开关频率和电容电压波动要求等因素，通过计算和仿真确定合适的电容值。

7.2.3 IGBT选型

IGBT是MMC子模块中的核心开关器件，其选型需要考虑导通电阻、开关速度、电压和电流额定值等因素。导通电阻越小，系统的损耗越低；开关速度越快，系统的动态响应性能越好；电压和电流额定值需要满足系统的实际运行要求。例如，在±800kV特高压直流输电工程中，选用的IGBT的导通电阻需低于1mΩ，以降低系统损耗。

八、桥臂环流分析及抑制策略

8.1 桥臂环流产生原因

在MMC中，由于上下桥臂的电压和电流不平衡，会产生桥臂环流。桥臂环流的存在会增加系统损耗，降低系统的效率，同时还会影响子模块电容电压的均衡。桥臂环流产生的主要原因包括：交流侧电流的影响、子模块电容电压的不平衡以及控制策略的不完善等。

8.2 交流系统正常工况下桥臂环流分布

在交流系统正常工况下，桥臂环流主要为二倍频分量。通过对MMC的数学模型进行分析，可以得到桥臂环流的表达式。设交流侧三相电流为正序对称分量，通过坐标变换将三相电流转换到dq坐标系下，可以得到桥臂环流在dq坐标系下的表达式。进一步分析可知，桥臂环流的二倍频分量与交流侧电流的幅值和相位有关。

8.3 交流系统故障工况下桥臂环流分布

在交流系统故障工况下，如三相短路、单相接地短路等，桥臂环流的分布会发生明显变化。故障会导致交流侧电流的幅值和相位发生突变，从而使桥臂环流的大小和频率发生变化。例如，在三相短路故障时，桥臂环流会急剧增大，对系统的安全运行构成严重威胁。

8.4 桥臂二倍频环流抑制策略

为了抑制桥臂二倍频环流，可以采用基于虚拟电阻的环流抑制策略。在控制策略中引入虚拟电阻，增加环流回路的阻尼，从而抑制环流的产生。具体实现方法是：检测桥臂电流中的二倍频分量，然后通过计算生成对应的零序电压注入量，以抵消环流。设检测到的桥臂电流为iarm，通过傅里叶变换提取二倍频电流分量[ ,i2f]=calculate_frequency_component(iarm,2∗fundamental_freq)，根据二倍频电流分量计算零序电压注入量uzero=Kcirculation∗i2f，其中Kcirculation是用于调节零序电压注入强度的系数。将零序电压注入量叠加到换流器的控制信号中，就可以实现对桥臂二倍频环流的有效抑制。

九、系统控制器设计

9.1 外环控制器设计

外环控制器的主要作用是根据系统的运行要求，生成内环控制器的参考信号。常见的外环控制策略有定直流电压控制、定有功功率控制和定无功功率控制等。定直流电压控制用于维持直流侧电压的稳定，确保系统的可靠运行；定有功功率控制用于控制系统的有功功率传输，满足负载的需求；定无功功率控制用于控制系统的无功功率输出，维持交流侧电压的稳定。

以外环定直流电压控制为例，设设定的直流母线电压参考值为Udc_ref，测量得到的直流母线电压为Udc_meas，电压误差为errordc=Udc_ref−Udc_meas。采用比例积分（PI）控制器，控制信号为ui=Kp_dc∗errordc+Ki_dc∗∫errordcdt，其中Kp_dc和Ki_dc分别为比例系数和积分系数。通过调整Kp_dc和Ki_dc的值，可以实现对直流母线电压的快速、准确控制。

9.2 电流内环控制器设计

电流内环控制器的主要作用是根据外环控制器生成的参考信号，控制换流器的输出电流，实现对交流输出电压和电流的精确控制。电流内环控制器通常采用比例积分（PI）控制器或比例谐振（PR）控制器。

以电流内环PI控制器为例，设外环控制器生成的有功电流参考值为Id_ref，无功电流参考值为Iq_ref，测量得到的有功电流为Id_meas，无功电流为Iq_meas。有功电流误差为errord=Id_ref−Id_meas，无功电流误差为errorq=Iq_ref−Iq_meas。控制信号为ud=Kp_d∗errord+Ki_d∗∫errorddt，uq=Kp_q∗errorq+Ki_q∗∫errorqdt，其中Kp_d、Ki_d、Kp_q、Ki_q分别为比例系数和积分系数。通过调整这些系数的值，可以实现对交流输出电流的快速、准确控制。

9.3 交流系统故障工况下功率传输特性和控制目标实现方法

在交流系统故障工况下，MMC-HVDC系统的功率传输特性会发生变化。故障会导致交流侧电压和电流的幅值和相位发生改变，从而影响系统的有功功率和无功功率传输。为了确保系统在故障工况下的稳定运行，需要实现特定的控制目标。

在交流系统故障工况下，能够同时实现的两种控制目标通常为维持直流侧电压稳定和提供一定的无功功率支持。为了实现这些控制目标，可以采用改进的控制策略。例如，在外环控制器中，当检测到交流系统故障时，调整控制策略，优先保证直流侧电压的稳定，同时根据故障的严重程度，提供一定的无功功率支持，以维持交流侧电压的稳定。在电流内环控制器中，根据外环控制器生成的参考信号，快速调整换流器的输出电流，实现对功率的精确控制。