基于MMC的二次谐波环流抑制器的设计

宋吉江 牛轶霞 朱荣俊

摘 要：MMC的环流只在桥臂内流通，造成功率的损耗和器件耐压的增加，为抑制MMC桥臂环流，重新设计了基于MMC的二次谐波环流抑制器。该抑制器采用NLM调制算法，解决了多电平时CPS-SPWM功耗较高的问题，通过合理选择硬件电路的参数，实现桥臂环流的抑制，通过单端21电平仿真模型验证其有效性。

关键词：MMC；环流抑制；二次谐波过滤器；NLM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.139

0 引言

智能控制技术的发展，带来了输、变、配电系统的变革[1-2]。尤其是MMC的出现，引领了电力系统发展的潮流，一举突破了两电平、三电平耐压不高和功率提升困难的瓶颈问题，通过模块化叠加的思路，从另一个角度实现了耐压、功率的巨大提升，大力推动了直流输电技术发展，然而解决问题的方法也伴随着新的困难的出现，那就是控制的难度随着模块数目的增加，也变得更为复杂[3]。

桥臂环流是影响其稳定的重要因素之一，是目前研究的重点。文献[4]对二倍频环流进行坐标变换，设计了比例积分（PI）控制器来消除环流。文献[5]采用基于NLM调制方式，重新设计了PI环流抑制器。文献[6]验证了基于CPS-SPWM的二次滤波装置的环流抑制效果，但使用载波调制增加了开关损耗。本文把NLM调制和二次谐波过滤器结合起来，设计了基于MMC的二次谐波环流抑制器，实现环流的抑制。

1 MMC环流的成因及影响

MMC子模块电容级联于桥臂中，各自分担一部分直流电压，通过电容数量的有机组合构建输出的交流电压，当电流在桥臂内流通时，因元器件制造工艺的差别，相同的元器件仍会有部分的差异，造成桥臂间的电压很难保持一致，这就会引起电容电压的波动，带来环流的问题。环流在桥臂内流通，不仅会引发元器件发热，增加系统损耗，还会对系统的稳定性构成影响。因此，为提高系统的稳定性，必须进行环流抑制。

2 MMC二次谐波环流抑制器

MMC在正常工作时，环流以二次谐波为主，因此可以设想通过简单的电感、电容谐振电路的方式滤除。由于环流只在各个相单元中流通，对外不以输出电流的形式表示，参考ABB公司二次谐波滤除方式[6]，在每个相单元中接入谐波过滤器，以期达到环流抑制的效果。

该方式实现起来较为简单，可以与当前的调制策略相匹配，图1为MMC二次谐波过滤器结构，通过合理的选择电感、电容参数，在基波条件下，实现电桥的平衡，这样C0就没有电流流过，对于二次谐波，通过谐振的方式将其滤除。

3 MMC环流抑制器仿真

为验证设计的基于MMC二次谐波环流抑制器的有效性，搭建了单端21电平MMC-HVDC系统。算例的调制方式为NLM调制算法，外环功率控制采用定直流电压和定无功功率控制，其设定值为320kV和-50Mvar。

图2为A相桥臂环流，从图中可以看出，a）未进行环流抑制，桥臂环流的主要成分为二倍频环流，此时A相桥臂环流的峰峰值为0.5kA。b）为使用滤波器进行环流抑制，相比a）来说，二倍频得到一定的程度的抑制，此时的环流峰峰值约为0.32kA。

图3为A相上桥臂电流的谐波分析图，上桥臂电流通过FFT变换后，提取出基波和各次谐波的含量，进行谐波分析，发现两种情况下的THD曲线总体趋势一致，在具体时刻上波形略有差别，具体表现为上桥臂的电流在启动时的谐波畸变率（THD）启动时较高，约在2.1%左右，启动后迅速降低，经过1.2S后，基于MMC的二次谐波环流抑制器基本滤除谐波，而未进行环流抑制的谐波始终维持在0.2%左右。

4 结论

本文分析了环流的成因，主要成分为二倍频负序环流，环流叠加在桥臂中，导致波形畸变，无形中增大了系统的耐压、功率损耗等指标，必须进行环流抑制。把二次谐波过滤器应用于模块化多电平换流器中，结合NLM调制算法，解决了多电平时CPS-SPWM功耗较高的问题，同时合理选取硬件电路的参数，实现了桥臂环流的有效抑制。

参考文献：

[1]朱荣俊，宋吉江，蔡富东等.基于STM32的变电站辅助监控系统的设计[J].山东理工大学学报，2017，31（06）：29-33.

[2]朱荣俊，宋吉江，王延博等.基于蓝牙模块的新型非接触输电线路验电系统的设计[J].山东工业技术，2017（10）：145+120.

[3]朱荣俊，宋吉江，蔡富东.模块化多电平换流器快速预充电控制[J].山东工业技术，2018（03）：157.

[4]屠卿瑞，徐政，管敏渊等.模块化多电平换流器环流抑制控制器设计[J].电力系统自动化，2010，34（18）：57-61+83.

[5]冯志国，葛曼玲，陈玉民.模块化多电平换流器的环流抑制方法研究[J].电机与控制应用，2017，44（10）：48-52+58.

[6]张建坡，赵成勇.模块化多电平换流器环流及抑制策略研究[J].电工技术学报，2013，28（10）：328-336.

作者简介：宋吉江（1963-），男，山東烟台人，教授，硕士生导师，研究方向：大功率电力电子变流器。