基于变目标控制的MMC-HVDC控制策略
MMC-HVDC通用启动控制策略研究
电气传动 2020 年 第 50 卷 第 5 期
MMC，陈卓，王占宝，刘炜，李健 （贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025）
摘要：在基于模块化多电平换流器高压直流输电系统（MMC-HVDC）正常运行之前需对换流器桥臂子模 块电容充电，为了减少预充电阶段产生的电压电流冲击，需对系统的预充电启动策略进行设计。以电容电压 实时排序算法为基础，分析了换流器不可控充电阶段特性。在可控阶段，根据子模块闭锁和旁路的运行状态 提出了子模块的开环预充电方案，该方案适用于不同类型子模块且无需 PI 参数整定。最后，在 Matlab/Simulink 中搭建换流站预充电模型对所提策略进行验证。
从目前国内外研究来看，人们对于 MMCHVDC 的研究重点放在换流器的调制策略、桥臂
环流抑制、子模块电容稳压控制等方面，且一般 情况下假设子模块电容电压已达到额定值，而对 换流器启动预充电控制策略研究较少［5-6］。
换流器启动是直流输电系统正常运行前必 须经历的环节。启动控制的目的是使用合适的 控制策略使得换流器子模块电压迅速提高到额 定 电 压 ，同 时 要 尽 量 防 止 过 电 流 和 过 电 压 冲 击。现有的 MMC 预充电方式分为他励充电和 自励充电。他励预充电方案瞬态处理能量等级 低，控制过程简单，但是由于需使用辅助充电电 源 ，因 此 在 直 流 输 电 系 统 中 这 种 方 法 既 不 经 济 也 不 实 用 。 文 献［7- 9］中 以 半 桥 子 模 块 为 前 提 设计了 MMC 自励启动预充电控制方案。文献 ［10］在考虑了交流电压跌落比与系统短路比关
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51567005）；黔科合平台人才（［2017］5788）；黔科合 LH 字（［2017］7230） 作者简介：马嘉伟（1992-），男，硕士研究生，Email：1027566606@
MMC-HVDC基本控制策略研究及改进
MMC-HVDC基本控制策略研究及改进模块化多电平换流器(MMC)作为全控型电压源换流器(VSC)的一种新型拓扑结构,具有开关频率低、波形质量高、可拓展等优点,具有良好的发展前景。
十几年来,MMC-HVDC技术发展飞快,在工程应用领域以及理论研究领域取得了众多的成果,但依然尚有许多研究问题需要解决,如电容电压平衡优化控制问题、控制系统优化设计问题,等等。
本文在总结前人研究成果的基础上,对MMC-HVDC系统基本控制策略展开了深入研究。
本文首先针对MMC-HVDC系统的拓扑结构及其基本工作原理进行了详细分析,建立了MMC换流器的数学模型,阐述了MMC换流器子模块电容器以及桥臂电抗器的选取方法,并就MMC-HVDC系统基本控制策略进行了简单的介绍,为MMC-HVDC系统模型的搭建提供了一定的理论依据。
其次,针对MMC-HVDC系统阀组级控制策略进行了研究,介绍了MMC调制技术,并对CPS-SPWM调制策略进行了重点叙述,对子模块电容电压波动机理与环流产生原理进行了分析,阐述了传统的电容电压均衡控制与环流抑制控制策略,并利用传统电容电压平衡控制的思想设计了改进的均压拓扑,搭建了仿真模型对改进的均压拓扑的有效性进行了仿真验证。
再者,针对MMC-HVDC系统换流站级控制策略进行了研究,根据MMC交流侧数学模型,推导出了基于d-q轴解耦控制的电流内环控制以及功率外环控制,并结合系统级控制和阀组级控制设计了两端有源MMC-HVDC控制系统,在MATLAB/Simulink仿真平台上,搭建了MMC-HVDC系统仿真模型,分别对有功、无功功率的阶跃和反转进行了仿真分析,结果验证了所设基本控制策略的正确性。
最后,为提高MMC-HVDC系统受干扰能力,本文对换流站级控制策略进行了改进,将功率外环控制由开环改进成闭环,同时在功率外环控制的基础上添加交流侧故障控制,在MATLAB/Simulink仿真平台上,搭建了两端有源MMC-HVDC系统仿真分析模型,对采用改进控制策略前后的小扰动工况以及暂态工况运行特性进行了对比分析,结果验证了改进控制策略的有效性。
MMC-HVDC系统环流控制策略研究
MMC-HVDC系统环流控制策略研究MMC（Modular Multilevel Converter）-HVDC（High Voltage Direct Current）系统是一种新型的高压直流输电系统，具有较高的调节能力和稳定性。
然而，在实际运行中，MMC-HVDC系统中存在环路电流问题，可能导致系统发生振荡和不稳定。
因此，研究MMC-HVDC系统环流控制策略成为了当前研究的热点之一。
MMC-HVDC系统中的环流问题主要是由于逆变器之间的电容不完全匹配所引起的。
MMC-HVDC系统采用了分阶段放电和光纤通信等控制手段，可以有效地降低电容不匹配带来的环流问题。
然而，由于环流问题会对系统有害影响，因此需要寻找一种有效的控制策略来解决。
在MMC-HVDC系统中，环流控制策略主要分为有源环流控制和无源环流控制两种方式。
有源环流控制是通过调整逆变器中的导纳来抑制环流的产生，常用的方法有阻抗调节和自适应控制。
无源环流控制则是通过改进电容模块的电路结构和控制算法来减小环流的幅值和频率，常用的方法有改进电容模块的结构和采用非接触式的电容传感器等。
具体到MMC-HVDC系统中的环流控制策略研究，一种常用的方法是采用模型预测控制（MPC）策略。
MPC是一种基于模型的先进控制策略，具有快速响应、稳定性好等优点。
在MMC-HVDC系统中，利用MPC策略可以对逆变器的调制信号进行优化设计，从而实现环流的控制。
另外，还可以采用基于频率的环流控制策略，通过控制逆变器的工作频率和相位来抑制环流的产生。
在MMC-HVDC系统环流控制策略研究中，需要充分考虑系统的安全稳定性和经济性。
首先，要根据实际运行情况和系统参数对控制策略进行合理选择，以保证系统的安全稳定运行。
其次，要在保证系统安全性的前提下，尽可能减少环流控制的成本和能耗，提高系统的经济性。
最后，还应对不同的故障情况进行仿真和分析，评估环流控制策略在不同工况下的效果。
综上所述，MMC-HVDC系统环流控制策略研究是当前研究的一个重要方向。
MMC-HVDC交流侧不对称故障特性分析与控制策略
MMC-HVDC交流侧不对称故障特性分析与控制策略模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)与传统两电平或三电平电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)相比优势明显,例如结构模块化,谐波性能更佳,开关损耗和滤波要求更低。
但MMC不可避免的环流控制问题影响换流器的性能。
而基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(Modular Multilevel Converter Based HVDC,MMC-HVDC)发展迅速。
其相对于传统直流输电的技术优势明显,但是其机理分析和控制系统设计更为复杂。
尤其当交流侧不对称故障时,传统的控制策略不再适用于三相不对称的情况。
为了保障柔性直流电网的可靠运行,需要对MMC及直流电网进行机理分析和控制系统设计。
本文基于数学分析通过仿真验证的方法主要研究了MMC-HVDC交流侧不对称故障时的运行机理和控制策略。
传统的控制策略不适用于三相不对称的情况,当交流侧电网不平衡时,现有的控制系统大多数选择抑制负序电流的方法。
这种控制方式下交流侧电流对称,而有功功率产生二倍频波动,传递到直流侧导致直流电压的二倍频波动。
本文通过改进环流控制器改善了上述问题。
通过建立环流和子模块电容电压,直流侧电压等物理量的数学关系,确定了一个直流侧电压波动最小时的最佳的环路电流值,并作为参考信号传输给MMC的电流控制回路,从而抑制了直流电压的波动。
本文主要研究了柔性直流电网交流侧不对称故障时环流的特性分析与控制策略。
首先,建立了MMC换流器的电磁暂态快速仿真模型和机电暂态模型。
研究的相关模型在一定程度上都加快了仿真效率,并具备较高的精准度。
在此基础上,将有助于进一步研究多端柔性直流输电系统的其他特性或进行工程分析;其次,对MMC-HVDC环流控制策略进行了优化。
传统的环流控制策略将环路电流抑制为零,该控制策略虽然可以降低器件损耗,但是没有考虑到子模块电容电压的波动,而且其控制精度较低。
MMC-HVDC的二阶线性自抗扰控制策略
MMC-HVDC的二阶线性自抗扰控制策略张芳;张光耀;李传栋【摘要】基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)技术已得到广泛运用,但传统基于dq同步旋转坐标系的双闭环PI控制中电流内环需要依赖系统数学模型进行前馈解耦补偿,并且一阶非线性自抗扰控制器设计参数过多、整定困难.针对上述问题,提出了MMC-HVDC的二阶线性自抗扰控制策略.设计了MMC-HVDC的双闭环二阶线性自抗扰控制器,实现了有功和无功功率的完全解耦控制,所设计控制器还具有响应速度快、抗扰能力强以及不依赖被控对象数学模型等优点;为了降低桥臂子模块的开关次数,改进了子模块电容电压平衡控制算法;在PSCAD/EMTDC中搭建了21电平MMC-HVDC的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了所设计控制器具有良好的控制性能和电容电压平衡控制算法的有效性.%The technology of MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current) has been widely applied.However,the current inner-loop,which is based on traditional dq synchronous rotating coordinate system in the dual closed-loop PI control system,relys on the systematic mathematical model for the feed-forward decoupling compensation.Moreover,the first-order nonlinear active disturbance rejection controller has a considerable number of design parameters to tune.In these regards,the second-order linear active disturbance rejection control strategy of MMC-HVDC is proposed.The dual closed-loop secondorder linear active disturbance rejection controller of MMC-HVDC is designed to achieve the complete decoupling control of active and reactive power.Besides,the designed controller has fast responsespeed,strong anti-disturbance ability,and independence of controlled object mathematical model.Then,an improved capacitor voltage balancing control algorithm is proposed to reduce the switching frequency of bridge submodule.The electromagnetic transient model of 21-level MMC-HVDC is built in PSCAD/EMTDC,and simulative results verify that the proposed controller has good control performance and the capacitor voltage balancing control algorithm is effective.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2017(037)011【总页数】7页(P92-98)【关键词】MMC-HVDC;高压直流输电;线性自抗扰控制器;电容电压平衡控制算法【作者】张芳;张光耀;李传栋【作者单位】天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072;天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072;国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TM721.1;TM460 引言2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquart和A.Lesnicar共同提出了模块化多电平换流器 MMC（Modular Multilevel Converter）的拓扑结构，解决了电压源型变流器 VSC（Voltage Source Converter）结构中IGBT器件直接串联所带来的静态、动态均压问题，且其系统输出波形平滑、谐波含量少、开关损耗低，在工程中应用广泛［1-2］。
MMC-HVDC系统控制与交流侧故障保护策略研究
MMC-HVDC系统控制与交流侧故障保护策略研究MMC-HVDC系统控制与交流侧故障保护策略研究随着电力系统的不断发展和能源互联网的构建，高压直流输电（HVDC）技术成为现代电力系统中重要的输电方式之一。
作为最新一代HVDC技术，基于模块化多级换流器（MMC）的HVDC系统具有转换器结构灵活、控制性能优越、电压波动小等特点，因此在长距离大容量功率输电和电力交换中得到广泛应用。
MMC-HVDC系统中，交流侧故障保护策略是保证系统稳定运行的重要手段之一。
本文将对MMC-HVDC系统的控制及交流侧故障保护策略展开研究，并提出一种基于多级换流器控制的故障保护方案。
MMC-HVDC系统的整体控制包括交流侧调节、直流侧调节以及交流滤波器控制等。
其中，交流侧调节对于保证交流侧电压稳定和控制无功功率具有重要意义。
为了实现交流侧电压的快速调节和准确控制，本文采用了基于PI控制的电流外环和电压内环控制策略，并根据实时采集的信号进行参数调整。
此外，为了避免电流谐波引起的振荡问题，采用了谐波抑制控制方法，将发生在输出电压中的谐波分量抑制到较低水平，提高了系统的稳定性和可靠性。
另一方面，交流侧故障保护是MMC-HVDC系统运行中必备的一项工作。
在论文中，我们提出了一种基于电压矢量定向和电流监测的故障保护策略。
该策略通过监测交流侧电压和电流的大小和相位信息，实现对故障点的定位和判断。
在检测到交流侧发生故障后，系统将采取措施减小故障损害并实现快速分离，从而保护系统的安全运行。
为了验证所提出的控制和故障保护策略的有效性，本文设计了MMC-HVDC系统的仿真实验。
通过对多种故障情况进行模拟，验证了所提策略对系统故障的准确定位和判断，并在故障发生后成功实现了快速分离和恢复。
实验结果表明，所提出的控制策略和故障保护方案可以有效地提高MMC-HVDC系统的稳定性和故障抗干扰能力。
总之，本文对MMC-HVDC系统的控制与交流侧故障保护策略进行了深入研究。
基于模型预测控制的 MMC-HVDC 系统控制策略研究
基于模型预测控制的 MMC-HVDC 系统控制策略研究代高富;符金伟;周胜;张冬凯【摘要】为提高基于模块化多电平换流器的直流输电系统(MMC-HVDC)电流内环的动态响应速度，提出了一种MMC-HVDC 系统的模型预测控制(Model predictive control, MPC)方法。
该方法通过预测模型、反馈校正和滚动优化得到最优的电压控制量，克服了传统双闭环控制PI 参数整定困难和动态响应慢的问题。
针对外环 PI 控制器参数对系统参数敏感的问题，对 PI 控制器参数进行了自适应调整，根据控制器的输入偏差和输出的大小来调整PI参数，提高了控制器的鲁棒性。
针对子模块电容的均压问题，采用了基于排序法的最近电平调制(NLM)均压调制算法，有效地实现了子模块电容电压的平衡。
最后，通过 Matlab/Simulink 平台搭建了5电平的 MMC-HVDC 系统仿真模型。
仿真结果表明了该控制策略的有效性和可行性。
%In order to improve the dynamic response speed of the inner loop of the HVDC transmission system based on modular multilevel converter (MMC-HVDC), a model predictive control method (MPC) for MMC-HVDC system is proposed. In this method, the optimal control voltage is obtained by predicting model, feedback correction and rolling optimization. MPC overcomes the problem of PI parameter tuning difficulties and slow dynamic response of traditional double closed loop control. In view of the outer loop PI controller parameters on the system sensitivity problem, the parameters of PI controller are adjusted adaptively. The robustness of the controller is improved by adjusting the PI parameters according to the input error and the output of the controller.In order to realize the voltage balance between sub module capacitor, theNLM voltage balance modulation algorithm based on the ranking method is adopted to realize the capacitor voltage balance between the sub modules. At last, the simulation model of 5 levels MMC-HVDC system is built on Matlab/Simulink platform. The simulation results show the effectiveness and feasibility of the proposed control strategy.【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2016(044)010【总页数】7页(P10-16)【关键词】模块化多电平变换器;MPC;准比例谐振;参数自适应;NLM【作者】代高富;符金伟;周胜;张冬凯【作者单位】西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031;中国电力科学研究院，北京 100192;西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031;西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031【正文语种】中文2001年，德国学者首次提出了模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)，这种新型多电平结构因为具有公共直流母线、高度模块化、易于级联、输出波形好等优点得到了广泛的关注，并成功应用于柔性直流输电领域[1]。
子模块混合型MMC_HVDC直流故障穿越控制策略_孔明
(国网智能电网研究院，北京市 昌平区 102200)
A DC Fault Ride-through Strategy for Cell-hybrid Modular Multilevel Converter Based HVDC Transmission Systems
KONG Ming, TANG Guangfu, HE Zhiyuan
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L0
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Байду номын сангаас
Nh× ubnh SMh
Nh× ucnh SMh
直流电压有相同的数学关系。
以 A 相上桥臂进行说明，若忽略子模块电容电
压的波动，认为子模块均工作于额定电压下，根据
直流电压与桥臂输出电压之间的关系，则有
N aph usmhN
Napf usmfN
udcN 2
(1 mmax )
(1)
式中：mmax 为最大调制比；Naph、Naph 分别为半桥 和全桥阀段中正常运行的子模块个数；usmhN、usmfN 分别为半桥和全桥子模块电容电压。为了简化调制
现阶段高压直流输电领域的直流断路器技术及制造工艺尚不成熟对于直流短路这种极端故障的处理大多数需要换流器与交流侧断路器的配合控制来清除直流短路电流89程大多采用直流电缆输出技术方案以降低故障直流线路故障而导致的系统停运的概率
双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究
双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究李健;陈卓【摘要】多端模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)一直是柔性高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)工程应用的重要部分,因此对其控制策略的研究很有实际意义.文章基于三相静止坐标系下MMC的数学模型,建立了dq旋转坐标系下的数学模型,根据瞬时功率理论设计出外环功率和内环电流的MMC-HVDC系统控制器.针对传统电容电压平衡策略的问题,从减少开关频率的角度提出了改进型的子模块电容均压方式.由于文章中真模型中相单元子模块过多,为使系统更稳定可靠运行采用了最近电平逼近策略(Nearest Level Modulation,NLM).最后在Matlab/Simulink仿真软件中搭建89电平双端有源MMC-HVDC系统模型,从改变控制器参考值、有功功率反转等角度对控制系统进行仿真分析对比,验证了MMC-HVDC系统控制器的可靠性和稳定性.【期刊名称】《贵州电力技术》【年(卷),期】2018(021)007【总页数】8页(P14-21)【关键词】模块化多电平变流器;控制策略;电容电压平衡策略;最近电平逼近策略;控制器【作者】李健;陈卓【作者单位】贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550025;贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550025【正文语种】中文【中图分类】TM74随着经济的发展和工业化速度的加速，我国城市数目和大都市规模都有了巨大增长，原有的城市电网遭遇到前所未有的挑战。
同时，由于自然条件和地理环境的原因，可再生能源如光伏、风能发电的并网问题愈加突出。
相较于传统的交流输电，高压直流输电技术在大容量输电、大规模电网互联及稳定性方面优势越发明显[1]。
20世纪90年代，加拿大 McGill大学的 Boon-TeckOoi提出的基于可控开关器件和脉冲宽度调制(Pulse width Modulation technology，PWM)技术的电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)在直流输电中开始应用。
基于改进拓扑的MMC-HVDC控制策略仿真
负序 电流 ， 需要将 电流进 行序 分量分解 和单独控制 ， 从而对
其 控 制 性 能 带 来 一 定 影 响 。为 实现 直流 故 障 电流 抑 制 ， 先 对
Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． １ ３ ３ ３ ４ ￣ ． ０ ２ ５ ８ — ８ ０ １ ３ ． ｐ ｃ ｓ ｅ ｅ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ５ ． ０ ０ ３
文章编号：０ ２ ５ ８ － ８ ０ １ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ ． １ ０ ３ ２ ． ０ ９ 源自中图分类号 ：Ｔ Ｍ ７ ２
ＺＨＡＮＧ Ｊ ｉ ａ ｎ ｐ ｏ， ＺＨＡＯ Ｃｈ ｅ ｎｇ ｙｏ ｎ ｇ ，Ｓ ＵＮ Ｈａ ｉ ｆ ｅ ｎｇ
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第３ ５ 卷 第 ５期 １ ０ ３ ２ ２ ０ １ ５年 ３月 ５日
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MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略
MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略曹春刚;赵成勇;陈晓芳【摘要】Modular multilevel converter (MMC) is a new topology in VSC-HVDC,which is different from the conventional two level VSC. Therefore.it is significant to study the modeling and control strategy of MMC-HVDC. The topology and working principle of MMC are introduced in this paper. Considering the reactance of the bridge, the mathematic model of the MMC-HVDC was developed, and the simplified circuit diagram of MMC-HVDC was obtained. The 21-level MMC-HVDC system was constructed in PSCAD/EMTDC environment. In the synchronous dq reference frame, the feed forward compensation control strategy is applied, and the simulation results verify that the mathematical model is correct and the control strategy is effective.%模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)是电压源换流器型直流输电领域的一种新型拓扑,与传统的两电平存在一定的不同,因而对其建模及控制策略进行研究,有重要的意义.论文介绍了MMC的拓扑结构及工作原理.在考虑桥臂电抗的基础上,推导出模块化多电平换流器型直流输电MMC-HVDC(modular multilevel converter-high voltage direct current)的数学模型,进一步得到MMC-HVDC的简化电路图.在PSCAD/EMTDC下搭建了21电平MMC-HVDC系统,在dq同步旋转坐标系下,采用前馈解耦控制策略进行仿真研究,仿真结果验证了该数学模型的正确性和控制策略的有效性.【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》【年(卷),期】2012(024)004【总页数】6页(P13-18)【关键词】模块化多电平换流器;桥臂电抗;数学模型;简化电路图;控制策略【作者】曹春刚;赵成勇;陈晓芳【作者单位】华北电力大学(保定)电气与电子工程学院,保定071003;华北电力大学(保定)电气与电子工程学院,保定071003;华北电力大学(保定)电气与电子工程学院,保定071003【正文语种】中文【中图分类】TM721.1电压源换流器型直流输电VSC-HVDC(voltage source converter-high voltage direct current)，具有有功无功灵活可调、占地面积小、环境污染小、具备黑启动能力等显著优点，在可再生清洁能源(如风能和太阳能)的大力开发和利用，城市配电网转入地下改造等领域得到越来越广泛的应用[1～5]。
基于自抗扰控制原理的MMC-HVDC控制策略
基于自抗扰控制原理的MMC-HVDC控制策略刘炜;王朝亮;赵成勇;郭春义;黄晓明;陆翌;裘鹏【摘要】简述了模块化多电平换流器(MMC)的基本原理,针对采用内环离散控制器后系统抗扰性能下降的问题,基于自抗扰控制ADRC(Auto Disturbance Rejection Control)原理,采用新型非线性函数设计了外环控制器;针对MMC的环流问题,设计了基于自抗扰控制技术的直接环流抑制器;为了抑制故障条件下的负序电流,设计了基于自抗扰控制技术的负序电流抑制器.最后在PSCAD/EMTDC环境下搭建21电平的MMC-HVDC系统模型,对所设计的混合控制器进行仿真验证,结果表明所设计的混合控制器具有良好的控制性能,验证了其有效性.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2015(035)009【总页数】7页(P87-93)【关键词】模块化多电平换流器;高压直流输电;离散数学模型;自抗扰控制;内部环流;负序电流;电流控制;控制【作者】刘炜;王朝亮;赵成勇;郭春义;黄晓明;陆翌;裘鹏【作者单位】华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京102206;国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江杭州310014;华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京102206;华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京102206;国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江杭州310014;国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江杭州310014;国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言由德国慕尼黑联邦国防军大学提出的模块化多电平换流器MMC（Modular Multilevel Converter）拓扑结构[1]，因为具有模块化程度高、开关损耗低、输出波形谐波含量少、适用于高电压大功率场合等优点[2]，得到了国内外学术界的广泛关注[3-8]。
文献[9-11]对 MMC 的拓扑结构、子模块 SM（Sub-Module）电容电压均衡控制、环流抑制、调制策略及控制策略等进行了研究。
MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略
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ＨＶＤ ｍｏ ｕａ ｍｕｔ ｅ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔｒ ｉｈ ｖ ｌ ｇ ｉ ｃ ｃ ｒｅ ｔ 的 数 学 模 型 ， 一 步 得 到 ＭＭＣ ＨＶ Ｃ 的 简 ｃ（ ｄ ｌｒ ｌ ｌ ｌ ｏ ｖ ｒｅ＿ ｇ ｏｔ ｅｄｒ ｔ ｕ ｒｎ ） ｉｖ ｈ ａ ｅ 进 — Ｄ 化 电 路 图 。在 Ｐ Ｃ ／ ＭＴ Ｃ下 搭 建 了 ２ Ｓ ＡＤ Ｅ Ｄ １电 平 Ｍ ＭＣ ＨＶＤ — Ｃ系 统 ， 在 ｑ同 步 旋 转 坐 标 系 下 ， 用 前 馈 解 采
基于MPC的MMC-HVDC子模块均压控制策略
基于MPC的MMC-HVDC子模块均压控制策略张明光;李波【摘要】模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有效率高、谐波小、模块化设计和易级联等优点,在高压大容量电能变换领域得到了广泛应用.为提高基于模块化多电平换流器的直流输电系统(MMC-HVDC)运行的动态响应速度,提出了一种基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)与改进的子模块均压控制策略相结合的方法,通过预测模型、反馈校正和滚动优化得到最优的电压控制量,克服了传统的内环电流控制器与外环控制器中PI参数整定困难和动态响应慢的问题.最后,在PSCAD-EMTDC软件平台搭建了21电平的MMC-HVDC系统仿真模型.仿真结果验证了控制策略的有效性和可行性.【期刊名称】《电气自动化》【年(卷),期】2018(040)005【总页数】4页(P66-69)【关键词】模型预测;MMC-HVDC;开关频率;子模块均压;滚动优化;排序算法【作者】张明光;李波【作者单位】兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州 730050;甘肃省工业过程先进控制重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学电气与控制工程国家级实验教学示范中心,甘肃兰州 730050;兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州 730050;甘肃省工业过程先进控制重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学电气与控制工程国家级实验教学示范中心,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)作为一种新型的电压源型换流器结构[1]，采用子模块SM(Sub-Module)级联型拓扑，其模块化结构易于扩展，可通过增加或减少串联子模块的数量，灵活地改变应用的电压等级[2]。
与传统两电平或三电平电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)相比，MMC开关频率较低，输出电流的谐波含量少，对电力电子开关的一致性要求较低[3-4]，在高压直流输电领域具有广阔的应用前景[5]。
基于PI控制的MMC—HVDC环流抑制策略
基于PI控制的MMC—HVDC环流抑制策略由于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的三相桥臂相当于并联在直流侧，其三相桥臂的电压不可能完全相等，必然在三相桥臂中产生环流，导致桥臂电流波形发生畸变，影响输出波形，增加系统损耗。
本文分析了环流产生的机理，研究了MMC的环流抑制策略，并在PSCAD/EMTDC软件中搭建21电平的MMC模型进行仿真，结果表明，环流抑制器不仅仅能够对环流有抑制作用，改善电压波形，而且能够一定程度上降低子模块电压波动大小。
标签：MMC；电容电压；环流抑制0 引言随着社会经济的不断发展与电力电子技术的进步，模块化多电平换流器型高压直流输电（MMC-HVDC）作为新一代的直流输电技术[1]，除了具有传统直流输电的特点之外，还具有不存在换相失败、独立控制有功功率和无功功率、谐波含量低、适合构成多端直流输电系统等优点，可广泛应用在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电和异步交流电网互联等领域[2-3]。
但MMC换流器的输出通过子模块电压叠加而成，系统运行时，各个桥臂的电压不可能保持在在一个完全相同的值，使得桥臂不仅含有直流分量，而且存在一定的环流，将会导致桥臂电流发生畸变，影响电容电压的平衡，增加不必要的损耗，因此需要对MMC的环流进行抑制。
1 环流产生的机理MMC由三个相单元组成，每个相单元由N个级联的子模块（Sub module，SM）和一个电抗器LO串联而成的上下两个桥臂单元构成，SM由两个带反并联二极管的绝缘栅双极晶体管IGBT串联后与一个储能电容器并联组成。
由于MMC换流器的对称结构，以A相为研究对象，将上下桥臂看做一个整体，MMC环流不仅包括直流分量，而且还包括二倍频的交流分量，MMC中三相环流按照a-c-b的顺序流动，并且各相环流之和为零[4]，因此，环流只在MMC内部各相之间来回流动，母线电流中不包含二倍频分量。
双端有源MMC—HVDC系统的控制策略研究
基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１５６７００５) ꎬ黔科合平台人才( [２０１７]５７８８) ꎬ黔科合( ＬＨ 字[２０１７]７２３０) ꎮ
������１４������
第７期
李 健ꎬ等:双端有源 ＭＭＣ￣ＨＶＤＣ 系统的控制策略研究
等效电势ꎬＲｉ 和 Ｌｉ 分别为交流系统的电阻和电感ꎬ Ｕｄｃ和 Ｉｄｃ 分别是直流侧的电压和电流ꎮ 图中的 ＳＭ 采 用半桥式结构ꎬ由两个全控电压驱动型器件 ＩＧＢＴ、两 个反向二极管和一个电压值为 Ｕｃ 的电容组成ꎮ
ＳＭ 作为 ＭＭＣ 最基本的工作单元ꎬＭＭＣ 通过 支配相单元 ＳＭ 中 Ｔ１、Ｔ２ 的导通和关断来分布上下 桥臂的子模块ꎮ 正常工作时ꎬ为使直流侧电压衡定 应保证单个相单元内有一半子模块处于投入状态ꎬ 通过合理分配各相单元中上下桥臂中 ＳＭ 的个数来 得到期待的交流侧相电压[６ － ８] ꎮ 表 １ 给出了 ＳＭ 的 三种工作状态ꎮ 正常运行时 ＳＭ 应处于投入或切除 状态ꎮ ＳＭ 处于闭锁状态称为非正常运行状态ꎬ用以 维持 ＭＭＣ 启动时给电容充电或故障情况将电容旁 路ꎬＭＭＣ 正常运行时不允许出现闭锁情况ꎮ
１ ＭＭＣ 的基本工作原理
三相 ＭＭＣ 由 ６ 个桥臂构成ꎬ上下两桥臂组成 一个相单元ꎬ单个桥臂由 Ｎ 个完全一样的子模块 ( Ｓｕｂ￣ＭｏｄｕｌｅꎬＳＭ) 和一个电感 Ｌ０ 构成ꎬ其中单个桥 臂采用子模块级联方式[５] ꎮ 三相 ＭＭＣ 系统拓扑结 构如图 １ 所示ꎮ
图 １ 三相 ＭＭＣ 拓扑结构图 Ｆｉｇ������ １ Ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ＭＭＣ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｉａｇｒａｍ
表 １ ＳＭ 的六种工作状态 Ｔａｂ Ｓｉｘ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ＳＭ
基于MMC型DC-DC变换器控制策略的研究
基于MMC型DC-DC变换器控制策略的研究摘要本文研究了基于MMC型DC/DC变换器控制策略的相关问题。
MMC型DC/DC变换器是一种理想的直流电压变换器，可实现高频变压，输电效率高、体积小等优点，因此应用范围广泛。
本研究针对MMC型DC/DC变换器的控制问题，阐述了基于MMC型DC/DC变换器控制策略的优化方法，包括基于全桥逆变和谐振电路的控制方法、基于负载电流和输入电压的控制方法、基于双闭环PID控制的控制方法等，并对比分析了各种控制方法的优缺点。
关键词：MMC型DC/DC变换器；控制策略；全桥逆变；谐振电路；PID控制AbstractThis paper researches on the control strategy of MMC-type DC/DC converters. MMC-type DC/DC converters are ideal direct voltage converters with advantages such as high-frequency voltage conversion, high transmission efficiency, and small size, so they have a wide range of applications. This study focuses on the control issues of MMC-type DC/DC converters,elaborating on the optimization methods of control strategy based on MMC-type DC/DC converters, including control methods based on full-bridge inverters and resonant circuits, load current and input voltage control methods, and double-closed loop PID control methods. The pros and cons of different control methods are compared and analyzed.Keywords: MMC-type DC/DC converter; control strategy; full-bridge inverter; resonant circuit; PID control第一章绪论1.1 研究背景随着电子科技的发展，直流电源逐渐被广泛使用，但直流电源的电压很难直接升高或降低，因此需要一定的电压变换手段。
MMC-HVDC启动控制策略研究综述
第36卷,总第211期2018年9月,第5期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.36,Sum.No.211Sep.2018,No.5MMC -HVDC 启动控制策略研究综述马嘉伟,陈 卓(贵州大学电气工程学院,贵州 贵阳 550025)摘 要:在基于模块化多电平换流器(MMC )高压直流输电系统(MMC -HVDC )正常运行之前需对换流器桥臂子模块电容预充电,为了减少预充电阶段产生的电压电流冲击,需对系统的预充电启动策略进行设计。
首先分析了MMC 的拓扑结构,工作原理和数学模型。
然后重点阐述了MMC -HVDC 系统的预充电过程,限流电阻的选取原则,单站和双站预充电策略并对其进行总结分析,以此为基础指出了今后关于MMC -HVDC 启动控制方面的研究趋势和方向。
关键词:模块化多电平变换器;高压直流输电;限流电阻;预充电;启动控制中图分类号:TM460 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2018)05-0425-07A Survey of Research on Start -up Control Strategy based on MMC -HVDCMA Jia -wei,CHEN Zhuo(Electrial Engineering College,Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract :Before the normal operation of the modular multi -level converter (MMC)HVDC transmissionsystem (MMC -HVDC),it is necessary to pre -charge the capacitor of the converter arm sub -module,in order to reduce the voltage and current impact generated during the pre -charging phase,the system'spre -charge strategy need to be designed.Firstly,the topological structure,working principle and math⁃ematical model of MMC are analyzed.Then,the pre -charging process of the MMC -HVDC system,the selection principle of the current limiting resistor,the single -station and dual -station pre -charging strategy are concluded and analyzed.Based on this,the research trends and directions of the MMC -HVDC control are pointed out.Key words :modular multi -level converter;HVDC;Current limiting resistor;pre -charged;start -upcontrol收稿日期 2018-04-09 修订稿日期 2018-06-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(51567005)黔科合平台人才[2017]5788,黔科合LH 字[2017]7230作者简介:马嘉伟(1992~),男,硕士研究生,主要研究方向为电力电子与电力传动。
基于改进控制策略的MMC-HVDC运行特性研究
基于改进控制策略的MMC-HVDC运行特性研究孙黎;胡峰;穆钢【摘要】Modular Multilevel Converter (MMC), as a new type of topology, has attracted much attention in the research on HVDC system. However, there are some problems such as low anti-jamming capability and unstable output in their internal control systems. According to these problems, this paper improves the systemic control on the basis of original control strategy. The improved control strategy not only can realize independent control of active power and reactive power as well as stable control of the DC voltage, but also can reduce the oscillation amplitude and cut downthe recovery time, as a consequence the transient and steady-state performance are improved efficaciously. This paper establishes MMC-HVDC two AC systems and conducts the contrastive simulation analyses between the improved control strategies and original strategies in the Matlab/Simulink. The results verify the correctness and validity of the theory.%模块化多电平换流器(MMC)作为一种新型拓扑结构,在高压直流输电系统研究中备受瞩目.但其内部控制系统中,存在抗干扰能力低,输出不稳定等问题.根据上述问题,在原有控制策略的基础上,对系统级控制进行改进.该系统不仅能够实现有功、无功独立控制和直流电压稳定控制,且减小了扰动振荡幅度和故障后恢复时间,有效地改善了系统暂稳态特性.在Matlab/Simulink环境下,搭建改进的MMC-HVDC两端有源系统,对改进前后的控制策略进行对比仿真分析.结果验证了理论的正确性与有效性.【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2018(046)009【总页数】7页(P10-16)【关键词】直流;模块化多电平换流器;控制策略;仿真;运行特性【作者】孙黎;胡峰;穆钢【作者单位】华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;东北电力大学电气工程学院,吉林吉林 132012;东北电力大学电气工程学院,吉林吉林 132012【正文语种】中文随着高压直流输电技术的飞速发展，基于全控型电压源换流器的高压直流输电系统(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)因其独立控制有功无功、能量双向传输、适应于各类输电场合，且不存在换相失败等诸多优势，被广泛应用于大城市负荷中心、海上钻井平台、海岛供电和新能源等直流输电工程[1-4]。
新型基于NLC法的MMC-HVDC预充电控制
新型基于NLC法的MMC-HVDC预充电控制严俊;刘小春【摘要】在柔性高压直流输电系统(MMC-HVDC)正式运行之前,为减小瞬态冲击电流,需要一定的预充电控制策略对子模块电容进行充电.为解决这个问题,提出一种新型基于最近电平逼近控制法(NLC)的MMC-HVDC预充电控制策略,该策略采用NLC法无需额外附加电路便可完成MMC-HVDC系统的预充电.基于理论分析搭建调试了10 kV·A的仿真模型及实验平台,二者结果均表明,所述预充电控制策略能够有效减小MMC-HVDC启动过程中的瞬态冲击电流.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2018(048)010【总页数】6页(P16-21)【关键词】高压直流输电;模块化多电平变换器;预充电控制;最近电平逼近控制法【作者】严俊;刘小春【作者单位】中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙 410083;湖南铁道职业技术学院铁道供电与电气学院,湖南株洲 412001;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙 410083;湖南铁道职业技术学院铁道供电与电气学院,湖南株洲 412001【正文语种】中文【中图分类】TM460与传统的多电平变换器相比，模块化多电平变换器（MMC）具有结构模块化、输出电能谐波含有率低、可独立控制有功功率和无功功率等优点[1-2]。
目前对于MMC的研究，大部分都集中在数学建模、调制策略、环流抑制等方面[3-4]。
相比之下，针对MMC启动过程的研究不是很多。
而对于基于MMC的柔性直流输电（MMC-HVDC）系统而言，倘若未在其启动过程中设置预充电，将会出现较大的瞬态冲击电流，严重时甚至会损坏器件[5-6]。
因此，针对当前MMC-HVDC预充电控制策略研究的不足，利用最近电平逼近控制法（NLC）对MMC-HVDC系统提出一种新型预充电控制策略，NLC利用斜坡函数以及余弦函数生成参考电压标幺值函数，进而输出控制信号。
仿真与实验结果均表明所述方法能够有效减少MMC-HVDC启动过程中出现的瞬态电流。
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－
［ （） （）］ （） （） ωＬ０ ２
， ｉｄ ｒｅｆ
ｋ
＋ ｉｄ ｋ
＋ ｕｑ ｋ
５
考由式的值比外中。例：环下环控标节制为系输ｒｅ数入ｆ 的，得Ｋ变Ｉ到为量，积为ｖｄ分，指ｒｅｆ环、令ｖ节ｑ参，ｒｅｆ考系为值数阀；。Ｋ组ｉＰｄ为控，ｒｅｆ、制ＰｉＩｑ的，环ｒｅｆ 可节参
略。文献［６］建立了换流器三相坐标系和旋转坐标 在一定时间内无超调快速分步达到指定的目标值，
系下的基于端口受控耗散哈密尔顿（ｐｏｒｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ 解决快速性和超调量的矛盾，简化系统的双环控制
， ）模型，提出了一 ｈａｍｉｌｔｏｎｉａｎ ｗｉｔｈ Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ＰＣＨＤ ＰＩ 参数的整定，并提高了控制系统的鲁棒性。在此
ＭＭＣ 模块由６ 个桥臂组成，每个桥臂由若干个 相同的子模块与阀阻抗Ｌ０、电阻Ｒ 串联组成。在研
８
究ＭＭＣＨＶＤＣ 的外部控制时，子模块可以被认为 是一个电压源，ＭＭＣ 等效电路如图１ 所示。
（） ｛［ （） （）］ ， ｖｑ ｒｅｆ ｋ ＝ ＫＰ ，ｉｑ ｒｅｆ ｋ － ｉｑ ｋ ＋
［ （） （ ）］｝ ∑ １ ｋ－１
ＨＶＤＣ 系统为非线性系统，文献［７］提出了一种基 目标控制策略调节时间参数的优化方法。在
于反步法的自适应控制以提高ＶＳＣＨＶＤＣ 的动态 ＰＳＣＡＤ／ ＥＭＴＤＣ 仿真平台中搭建三端柔性直流输电
性能，其考虑了ＶＳＣＨＶＤＣ 系统的非线性和参数的 模型测试本文设计变目标控制策略的性能。仿真
不确定性。文献［８－１０］推导出ｄｑ 同步坐标下的 结果表明，加入变目标控制环节可以有效提升
种换流器的阻尼分配无源性（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ 基础上，分析了加入变目标控制环节后双环控制ＰＩ
， ）控制方 ｄａｍｐｉｎｇ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔｐａｓｓｉｖｉｔｙ ｂａｓｅｄ ＩＤＡＰＢ 参数的设置原则，并基于改进的时间误差积分（ｉｎｔｅ
法，具有良好的动、静态性能和鲁棒性。由于ＶＳＣ ， ）指标，提出了变 ｇｒａｔｅｄ ｔｉｍｅ ａｎｄ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｒｒｏｒ ＩＴＡＥ
ＭＭＣ 的简化电路模型，指出ＭＭＣＨＶＤＣ 可以使用 性。本文根据简化后的ＭＭＣＨＶＤＣ 数学模型和离
传统电压源型换流器高压直流输电系统（ｖｏｌｔａｇｅ 散的双环控制策略，设计了对应的变目标控制策
， ）的双环控制策 ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＨＶＤＣ ＶＳＣＨＶＤＣ 略，将控制的最终目标值分成多个小目标，使系统
年月 ２０１８ ５
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
第３７ 卷 第３ 期 ７
基于变目标控制的ＭＭＣＨＶＤＣ 控制策略
夏成军，刘志江，杜兆斌
（华南理工大学电力学院，广东广州５１０６４１）
摘 要：针对现有柔性高压直流输电控制策略无法很好保证控制系统鲁棒性、稳定性和快速性的现状，提出了一种
能根据采样时刻的偏差值计算控制量［１４］。为了适 应微机控制，对ＭＭＣＨＶＤＣ 连续时间数学模型［５］ 进行离散化，推导稳态时ＭＭＣＨＶＤＣ 离散数学模 型，整流侧的交流侧数学模型：
合决定了其需要良好的控制性能，在保证直流输电 经典双环控制策略。双环控制策略结构简单，不依
系统电压和功率稳定的前提下提高潮流调配的灵 赖精Βιβλιοθήκη 的数学模型，具有较强的适应性，但存在快
活性和抗干扰能力。
速性与超调量的矛盾，且ＰＩ 环节参数难以整定，无
文献［５］分析了ＭＭＣ 的电路结构和特性，得到 法很好地保证控制系统的鲁棒性、稳定性和快速
变目标控制策略，将控制目标值分解为多个小目标，使系统快速无超调地分步达到指定目标，并提出了加入变目标
控制环节后ＭＭＣＨＶＤＣ 控制系统ＰＩ 参数的设置原则和变目标控制调节时间的设置方法。在ＰＳＣＡＤ／ ＥＭＴＤＣ 仿
真平台上搭建三端柔性直流输电系统模型进行仿真验证，结果表明设计的变目标控制策略能很好地解决调节速度
图１ ＭＭＣＨＶＤＣ 一侧系统简化等效电路
Ｆｉｇ．１ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ
ＭＭＣＨＶＤＣ ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ ｓｙｓｔｅｍ
根据ＭＭＣＨＶＤＣ 连续时间数学模型设计的控
制器也是连续时间状态控制器，而实际控制器系统
通常采用微机控制，其采样有时间间隔，控制器只
ＶＳＣＨＶＤＣ 连续数学模型，设计了内外环控制，利用 ＭＭＣＨＶＤＣ 控制系统直流电压、直流有功功率恢复
前馈补偿来消除换流器模型中ｄ 轴和ｑ 轴之间的耦 速度，有效维持系统的稳定运行。
合，实现了有功功率和无功功率、直流电压和无功 １ ＭＭＣＨＶＤＣ 数学模型和内外环控制
收稿日期：２０１８－０１－０５；修回日期：２０１８－０２－０８ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１５７７０７１）；广东省 自然科学基金资助项目（２０１５Ａ０３０３１３２０２）
功率的独立控制。文献［１１—１２］设计了针对ＶＳＣ ＨＶＤＣ 的模糊自适应ＰＩ 控制策略，改进了系统动、
基于模块化多电平换流器的高压直流输电系 稳态性能，减少在起始阶段的超调，并在稳态时转
统（ 为 控制以避免模糊控制的抖震现象。文献［ ］ ｍｏｄｕｌａｒ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｒｅｃｔ
和超调量之间的矛盾，并能扩大ＰＩ 环节参数的选取范围，增强控制系统的鲁棒性和适应性。
关键词：柔性直流输电系统；ＭＭＣ 换流器；内外环控制；变目标控制策略；快速性；超调量
中图分类号：ＴＭ７２１．１ 文献标志码：Ａ
文章编号： （ ） ２０９６－３２０３ ２０１８ ０３－０００７－０７
０ 引言
ＰＩ
１３
ｃｕｒｒｅｎｔ，ＭＭＣＨＶＤＣ）具有独立控制有功和无功、无 利用平坦系统控制理论建立ＶＳＣＨＶＤＣ 的双环控
换相失败风险、潮流调配灵活等优点，有利于构筑 制系统，其特点是不需要精确的数学模型，系统的
直流配电网和多端柔性直流输电系统等需要频繁 适应性更强，有利于提高控制系统的动态性能。
调节潮流的电力网络［１－４］。ＭＭＣＨＶＤＣ 的应用场 目前国内外研究中，ＭＭＣＨＶＤＣ 大部分都采用