基于MMC的多端直流输电系统简化建模与仿真研究

基于MMC的多端直流输电系统简化建模与仿真研究

刘军伟1张紫凡2

刘军伟1张紫凡2

（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司；2.华南理工大学广州学院）

摘要：模块化多电平换流器高压直流输电（MMC-HVDC）以其独特的技术优势，已成为未来电压源换流器高压直流输电领域的发展趋势。本文通过对MMC拓扑结构和数学模型进行推导和化简，在保证了仿真精度的前提下，应用了提高MMC仿真效率的理论和方法，基于PSCAD/EMTDC仿真平台建立了三端MMC-HVDC输电系统的简化模型，仿真结果具有较好的动态性能。

关键词：模块化多电平换流器；柔性直流输电；电磁暂态仿真

一、引言

相比于传统电网换相的高压直流输电技术（LCC-HVDC），基于电压源换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）具有不存在换相失败、有功无功功率的快速解耦控制等优势[1-2]。模块化多电平（ModularMultilevelConvertor，MMC）以其模块化设计、可拓展性好、单个器件开关频率低、谐波性能好等诸多优点已经成为电压源换流站技术的首选技术方案[3]。

目前已投运的MMC-HVDC工程有美国的TransBayCable工程、中国的上海南汇风电场示范工程和南澳三端柔性直流输电工程[4，5]。其中在我国广东建立的南澳多端柔性直流输电工程为世界首个投运的多端直流工程[6]。相关研究表明，MMC-HVDC系统将在风电场联网、电网异步互联、城市中心供电等领域得到广泛应用[7]。

当MMC换流阀从低电压等级、小容量发展到高电压等级、大容量时，每个桥臂串联的子模块数急剧增加。采用PSCAD/EMTDC等电磁暂态软件仿真时，大量IGBT快速的导通、关断将使得主电路形成的节点导纳矩阵不断变化。由于每次变化后形成的节点导纳矩阵规模较大，矩阵求逆将特别耗时，给研究高电压等级、大容量MMC-HVDC的并网仿真分析带来了巨大的困难。因此，在考虑能反映换流器基本运行特性的同时，若能提高仿真速度，将对多端MMC-HVDC的并网仿真分析起到至关重要的作用。

二、MMC等效计算模型

1.1桥臂的等效电路

模块化多电平逆变器MMC的每个桥臂由N个半桥子模块串联而成，桥臂的工作状态有闭锁状态和解闭锁状态。

第j个子模块输出的电压为Uoj，电容电压为Ucj，电容为C，流过桥臂的电流为i，其中j=1、2、...、N，桥臂输出电压为Uo。

当桥臂处于正常运行状态时，是通过投切信号Sj来控制上下桥臂中投入状态的子模块数。当Sj=1时，电容被充电（i>0）或放电（i<0），子模块输出电压为电容电压；当Sj=0时，子模块输出电压为0。可得到桥臂输出的电压为：

（3）

电容电压与电容值关系为：

（4）

MMC在充电状态和故障状态时桥臂处于闭锁状态，此时桥臂内所有的IGBT开关器件均处于关断状态。当电流i>0时，桥臂中子模块中的电容均被充电，模块输出的电压为电容电压，桥臂输出的电压为子模块电容电压之和，即：

（1）

电容电压与电容值关系为：

（2）

当电流i<0时，电流流过二极管D2，电容被旁路，子模块输出电压及桥臂输出电压均为0。

1.2简化数学模型

在MMC稳态运行时，假设桥臂中子模块的电容电压平衡控制非常理想，桥臂内部子模块的电容电压相等，即，并且在某时刻投入运行的子模块数为n，则式（3）可以改写为：

（5）

整理后得：

（6）

定义桥臂的等效电容Carm为N个子模块电容串联，桥臂的等效电压Ucarm为N个子模块的电容电压之和。

（7）

根据该公式可以将MMC一个桥臂等效为受控电压电流源以及等效桥臂电容组成的桥臂等效电路。简化等效电路中的可控电压源和可控电流源的表达式为

（8）

（9）

三、仿真算例

基于上述快速建模的思想，本文设计了基于等效模型的三端柔性直流输电系统仿真模型。本多端柔性直流输电系统由3个换流站构成（MMC1、MMC2以及MMC3），换流站的直流侧用直流电缆连接。本模型中的调制方法采用的是最近电平逼近（NLM）调制方法。

所建立模型的基本参数如表1所示：

四、仿真验证及分析、结论

算例工况：当t=0s时，系统开始以额定状态运行；当t=5s时，换流站MMC2功率参考值Pdc2ref由200MW阶跃到100MW，换流站MMC3功率参考值Pdc3ref由100MW阶跃到250MW，总仿真时间持续8s。

仿真结果见图1-6所示。

通过图1-4可以看出，在有功率指令值出现阶跃后，MMC2和MMC3的定有功功率控制能保证其有功功率快速跟随其指令值，并能准确稳定在新的有功功率参考值，MMC3没有定有功功率控制，因此其有功功率会随着MMC2和MMC3变化而变化，其稳定过程相对较缓慢一些。而在这个过程中，由于MMC1的定直流电压控制和MMC1、MMC2、MMC3的定交流侧电压控制使得直流侧电压和各交流侧电压几乎不会受到影响。图5-6是通过NLM（最近电平逼近控制）调制方法得到的a相上桥臂子模块投入个数以及上桥臂电压，可以看出当MMC模块数越多时，其桥臂电压曲线越光滑，这一规律符合NLM调制特点。仿真结果验证了本文所建的简化等效模型的正确性，并且也说明了所建模型具有很好的动态特性。

五、结论

建立大规模子模块群的MMC-HVDC电磁暂态仿真模型时，会出现计算量超大，耗时很长的情况。本文通过对MMC换流器的数学模型的介绍以及其桥臂等效电路的分析，利用受控电压源以及受控电流源建立了基于PSCAD/EMTDC仿真平台的MMC换流器的等效模型。最后通过仿真实验，将该模型与详细模型进行仿真对比，验证了该模型不仅能提高仿真效率，同时也具有良好的动态特性。

参考文献：

[1]吴婧，姚良忠，王志冰，李琰，杨波，曹远志.直流电网MMC拓扑及其直流故障电流阻断方法研究[J].中国电机工程学报，2015，35（11）：2681-2694.

[2]杨晓峰，林智钦，郑琼林，游小杰.模块组合多电平变换器的研究综述[J].中国电机工程学报，2013，33（06）：1-15.

[3]魏晨华，杨岩，谢阳，卫超.模块化多电平变换器关键问题研究综述[J].电子设计工程，2014，22（06）：182-186.

[4]许建中，赵成勇，AniruddhaM.Gole.模块化多电平换流器戴维南等效整体建模方法[J].中国电机工程学报，2015，35（08）：1919-1929.

[5]徐殿国，刘瑜超，武健.多端直流输电系统控制研究综述[J].电工技术学报，2015，30（17）：1-12.

[6]熊凌飞，韩民晓.基于组合方式的多端柔性直流输电系统控制策略[J].电网技术，2015，39（06）：1586-1592.

[7]吴婧，姚良忠，王志冰，MdHabiburRAHMAN，LieXU，鲁宗相.多端直流系统分区协调保护策略[J].电力系统自动化，2017，41（04）：105-112.

作者简介：

刘军伟（1987.11.18）；男；湖北枣阳；汉；学历：硕士研究生；工程师；研究方向：电力系统规划与设计；中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司。

张紫凡（1987.12.28）：女；河北石家庄；汉；学历：硕士研究生；讲师；研究方向：新能源并网技术；华南理工大学广州学院，。