模块化多电平换流器的桥臂电流限制控制策略研究：兼顾交流直流电网构建的新型解决方案

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：Arm-Current-Limiting Control for Modular Multilevel Converters with Combined AC and DC Grid-Forming Control

本文针对电网故障下电网形成（GFM）模块化多电平换流器（MMC）的半导体器件保护问题，提出了一种创新的桥臂电流和电压限制策略。研究团队通过优先级排序和迭代限制算法，实现了对交流输出电流is和环流ic的协同控制，确保桥臂电流始终安全运行在1.3pu限值内。该方案在相位跳变和不平衡电压跌落等故障条件下有效维持了端电压质量，为高电压直流输电（HVDC）系统的安全稳定运行提供了重要技术支撑。

　　

随着可再生能源占比的不断提高，逆变器型资源（IBRs）逐渐成为现代电力系统的核心组成部分。其中，电网形成（GFM）控制技术对于维持电网稳定性具有至关重要的作用。特别是在远距离输电场景下，如海上风电并网工程，高压直流（HVDC）输电系统往往采用模块化多电平换流器（MMC）这一关键设备。MMC具备自换相能力，使其天然适合应用于GFM控制场景。

然而，电网故障给GFM换流器带来了特殊挑战：其电压源特性要求必须采用电流限制控制来保护功率半导体器件。对于MMC而言，为确保半导体器件安全，必须对桥臂电流而非输出电流实施限制。此外，暂态过程中的电流可能导致一个或多个桥臂能量耗尽，从而引发各相间不同的电压限制。电压限制会对输出电压质量和控制器功能产生不利影响。现有研究大多集中于交流输出电流i_s的限制，往往忽视了环流i_c对桥臂电流的贡献，且电压限制策略的研究相对缺乏。

针对上述问题，德国柏林工业大学的研究团队在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上发表了创新性研究成果。本研究提出了一种适用于电网形成MMC的桥臂电流和电压限制策略，通过优先级排序和迭代算法，在保证设备安全的同时优化了系统的故障响应特性。

研究团队采用了多项关键技术方法：首先建立了MMC的集总臂模型（AAM），将子模块电容电压总和v_Σ建模为总和电容C_Σ；其次设计了结合交流直流电网形成的控制架构，包含环流i_c^αβ控制器和基于v_DC～f下垂的频率控制；第三，开发了第三谐波注入（THI）算法以提升电压利用率；最后，创新性地提出了桥臂电流限制的优先级策略和电压限制的迭代算法。

系统描述与控制器结构

研究基于点对点HVDC系统（图12），系统参数包括额定直流电压v_DC,n=525kV，额定功率P_n=1GW等。控制器结构（图2、3）包含三个核心部分：环流控制器通过比例谐振（PR）调节器生成内部电压参考v_c^αβ*；电网形成控制采用v_DC～f下垂和-i_Q⁺～v_s下垂分别调节频率和电压幅值；第三谐波注入模块通过优化共模电压提升输出能力。

桥臂电流限制算法

电流限制策略的核心是优先级排序：最高优先级赋予直流电流i_c⁰，中间优先级为交流输出电流i_s，最低优先级为环流微分模式i_c^αβ。对于i_s限制（图6），采用圆形饱和策略，通过比例控制器平滑过渡到限流模式，避免谐波失真。i_c^αβ限制（图7）则考虑各相i_s的不平衡性，采用差分模式限制算法确保桥臂电流总和不超过设定限值i_max=1.28×i_ul,n。

桥臂电压限制策略

电压限制面临更复杂的优先级问题。研究提出迭代算法（图10）：首先为v_c,dm设置初始限值（±0.2×v_DC），确保具备足够储备应对相位跳变；然后基于该限值计算v_s限制并注入第三谐波；最后利用限制后的v_s^*重新计算v_c,dm限值。这种迭代方法有效避免了控制器间的有害交互，提高了系统稳定性。

电网形成控制的稳定性增强

研究发现，限流期间GFM控制可能因功率不平衡而失稳。为解决该问题，研究提出基于线路阻抗估计的电流预测方法（公式41），通过加权平均i_s^*和实际i_s生成更准确的功率计算值，从而改善控制器的稳定性。

仿真验证与结果分析

通过-30°和+30°相位跳变（图13、14）以及线对线故障（图15、16）的仿真验证，表明所提策略能够将桥臂电流严格限制在安全范围内（峰值≤2645A，接近2655A限值）。与传统方法相比，电压限制策略显著改善了直流电压波形质量，减少了交流功率失真。特别是在+30°相位跳变时，v_Σ偏差虽仍存在（最高达850kV），但系统保持了稳定运行。

本研究提出的桥臂电流和电压限制策略为电网形成MMC的故障穿越提供了全面解决方案。通过优先级排序和迭代算法，实现了对半导体器件的有效保护，同时优化了系统的动态响应特性。该研究填补了现有文献在环流限制和电压限制协同优化方面的空白，为未来多端HVDC系统的发展奠定了技术基础。研究团队指出，直流电流限制和总和电容电压限制将是下一步重点研究方向。