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探究MMC环流抑制与电容电压均衡协调控制策略及其保护

一、引言

1.1研究背景与意义

随着能源需求的持续增长和电力系统的不断发展，高压直流输电（HVDC）技术因其在长距离、大容量输电以及连接不同交流电网等方面的显著优势，得到了广泛应用与深入研究。模块化多电平变换器（ModularMultilevelConverter，MMC）作为高压直流输电系统的核心技术之一，凭借其模块化结构、易于扩展、输出波形质量高、开关频率低等优点，成为了现代电力电子领域的研究热点。

MMC在高压直流输电系统中有着不可或缺的地位。在海上风电多端柔直并网系统里，MMC负责交直流系统的功率交换，实现海上风电场发出的交流电与直流输电系统之间的高效转换，还承担着维持直流系统电压稳定的重要任务，通过精确控制直流电压，确保整个系统的稳定运行，同时能够实现功率的精准分配，根据各端的需求，合理分配功率，提高能源利用效率。在实际运行中，MMC也面临着一些关键问题，其中环流和电容电压不均衡问题尤为突出。

环流是指在MMC内部，不参与向外传输能量的多余电流。由于MMC的拓扑结构和工作原理，环流不可避免地存在。当交流电网不对称工况出现时，交流侧功率变为时变的波动量，MMC内部会出现2倍频环流，这不仅会增大换流器损耗，还会使此不正常运行状态的影响扩展至直流侧，导致直流系统功率波动。若环流得不到有效抑制，会增加桥臂损耗，使桥臂电流发生畸变，提高开关器件的额定容量，产生高次谐波分量，严重破坏电流电压质量。虽然相间环流只存在于换流器内部，不能从根本上消除，但可以通过合适的控制策略对其进行抑制。

电容电压不均衡是MMC运行中另一个亟待解决的问题。在MMC结构中，每个子模块都包含一个电容器，其电压稳定性对于整个系统的正常运作至关重要。由于MMC各子模块的工作状态不完全相同，以及外部因素的影响，如负载变化、电网电压波动等，容易导致子模块电容电压不均衡。若电压不均衡，不仅会影响输出波形的质量，还可能导致某些子模块的开关器件承受过高的电压应力，影响整个系统的可靠性。当电容电压不均衡时，会引起桥臂间的能量不平衡，进一步影响MMC的性能和稳定性。因此，实现电容电压的均衡控制是MMC稳定运行的关键。

环流抑制与电容电压均衡控制之间存在着紧密的联系。一方面，环流的存在会影响电容电压的均衡性。环流中的谐波分量会在子模块电容上产生额外的充放电电流，导致电容电压波动加剧，进而加剧电容电压的不均衡。另一方面，电容电压不均衡也会对环流产生影响。当电容电压不均衡时，桥臂间的电压差会发生变化，从而导致环流增大。在交流电网不对称工况下，传统的环流抑制及电容电压均衡控制策略虽能在一定程度上抑制2倍频环流、平衡桥臂内部子模块能量，但由于三相桥臂电压仍不对称，换流器损耗问题未明显改善。因此，需要一种协调控制策略，综合考虑环流抑制和电容电压均衡控制，以实现MMC的高效、稳定运行。

此外，MMC在运行过程中还可能面临各种故障和异常情况，如过电压、过电流、开关器件故障等。这些故障不仅会影响MMC的正常运行，还可能对整个电力系统造成严重的损害。因此，对MMC进行保护研究同样具有重要意义。通过有效的保护措施，可以及时检测和隔离故障，避免故障的扩大，保障MMC和电力系统的安全稳定运行。

研究MMC环流抑制与电容电压均衡协调控制策略及其保护，对于提高高压直流输电系统的性能和可靠性，促进新能源的开发与利用，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，深入研究MMC的工作特性和控制策略，有助于丰富电力电子领域的理论知识，为相关技术的发展提供理论支持。在实际应用中，优化的控制策略和完善的保护措施能够提高MMC的运行效率，降低损耗，减少设备故障，提高电力系统的稳定性和可靠性，为能源的高效传输和利用提供保障，推动电力行业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

在MMC环流抑制研究方面，国内外学者进行了大量的工作。早期的研究主要集中在环流的产生机理和基本特性分析上。随着研究的深入，各种环流抑制策略不断涌现。文献[具体文献]通过对MMC数学模型的分析，揭示了环流中主要包含二次和四次谐波分量，并设计了基于二阶广义积分器(SOGI)的多谐波滤波器来提取环流中的谐波分量，同时设计基于准比例谐振(PR)的环流抑制器，有效地抑制了环流。文献[具体文献]提出一种电网不平衡下基于二阶广义积分器(SOGI)的环流抑制策略，该策略将三相环流中2次谐波分量与不相等的直流分量分离后单独抑制，采用比例积分(PI)控制经SOGI提取桥臂环流的正序、负序2倍频分量，采用准比例谐振(PR)控制环流的零序2倍频分量，仿真结果表明该策略在不同故