MMC-晶闸管整流器并联融冰装置控制方法研究

《Electronics》：Research on the Control Method of MMC-Thyristor Rectifier Parallel Ice Melting Device

　　

为了解决当前并联型融冰系统中模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）和晶闸管整流器（thyristor rectifier）之间单目标控制和无法实现协调运行的问题，研究人员提出了一种用于此类系统的主从协调控制方法。MMC以恒PQ（constant PQ）模式运行，而晶闸管整流器以恒压（constant-voltage）模式运行。晶闸管整流器为MMC提供电压支持，并在控制回路中引入自适应U-I（voltage-current）下垂控制以应对电压跌落。MMC根据晶闸管整流器的运行状态调整其有功功率输出，实现协调融冰运行，同时为系统进行无功补偿和有源滤波。研究人员阐述了融冰系统的工作原理，分析了其谐波特性，设计了控制策略，并构建了PSCAD 5.0仿真模型以验证所提出的控制策略。结果表明，所提出的策略可以协调MMC和晶闸管整流器之间的有功功率分配，为融冰系统的安全稳定运行奠定基础，同时抑制晶闸管融冰系统引入电网的谐波电流和无功功率。

冰灾对电力系统构成严重威胁，尤其在河南电网中，历史冰害导致多电压等级线路故障，覆盖范围广且与气象条件相关。现有热融冰方法中，基于晶闸管整流器的直流融冰装置会产生大量感性无功功率和特征谐波电流，需额外配置无功补偿和谐波治理设备；而模块化多电平换流器（MMC）虽能补偿谐波和无功，但其大电流输出能力有限，难以满足高融冰电流需求。为解决上述问题，研究人员提出一种MMC与晶闸管整流器并联的混合型直流融冰装置，并针对其控制方法开展研究，以实现多换流器协调运行、功率分配及电能质量改善。该研究发表在《Electronics》。

研究人员采用了以下关键方法：首先，构建主从控制架构，以晶闸管整流器为主控单元，采用恒直流电压控制并引入自适应U-I（电压-电流）下垂控制，以应对电压跌落并提供电压支撑；MMC作为从控单元，采用固定PQ（有功-无功）控制，根据晶闸管整流器容量和融冰需求补充有功功率，同时进行无功补偿和有源滤波。其次，设计基于谐振补偿的MMC有源滤波控制策略，在同步旋转坐标系中提取6次谐波分量，通过谐振控制器抑制晶闸管整流器产生的6k（k=1,2,…）次特征谐波。最后，在PSCAD 5.0仿真平台中搭建模型，验证所提策略在不同工况下的性能。

**工况1：MMC仅提供无功补偿与谐波抑制**
通过设置短线路（414 km，融冰电流3000 A）使晶闸管整流器独立承担全部融冰功率（61 MW），MMC不输出有功功率。仿真结果表明，MMC输出27 MVAR无功功率，补偿晶闸管整流器吸收的感性无功，使并网点功率因数从0.91提升至0.9999；同时，MMC的有源滤波使电网侧5次、7次、11次、13次谐波电流分别从175 A、61 A、23 A、19 A降至42 A、30 A、12 A、8 A，总谐波失真（THD）从24.5%降至7.4%，验证了MMC在无功补偿和谐波抑制方面的设计目标。

**工况2：MMC补充有功功率并兼顾无功与谐波补偿**
设置长线路（250 km，融冰电流4800 A）使晶闸管整流器达到容量上限（60 MW），MMC需补充剩余36 MW有功功率。仿真显示，MMC输出1.6 kA直流电流，晶闸管整流器输出3.2 kA，总融冰电流稳定在4.8 kA；MMC同时输出27 MVAR无功功率，使并网点功率因数从0.9639提升至0.9997；电网侧THD从14%降至4.2%，谐波抑制效果显著，表明MMC在补充有功功率的同时仍能有效改善电能质量。

**工况3：电压跌落时自适应下垂控制的效果**
在工况2基础上设置晶闸管整流器输出电压跌落10%，未引入下垂控制时，电网侧THD升至8.3%，较正常工况翻倍；引入自适应U-I下垂控制后，融冰电压恢复至19.5 kV，THD降至4.5%，验证了下垂控制对电压跌落导致的谐波恶化具有补偿作用。

**总结讨论与结论**
论文结论部分指出：
(1) 所提出的MMC与晶闸管整流器并联融冰装置控制策略可实现两类换流器的功能划分与协调运行。晶闸管整流器作为主控单元，通过恒直流电压控制及自适应U-I下垂提供稳定电压支撑和主融冰电流；MMC作为从控单元，采用固定PQ控制，根据融冰功率需求和晶闸管容量状态补充有功功率。仿真表明，当晶闸管整流器容量不足时，MMC可承担剩余融冰功率，提升并联融冰装置在大电流融冰场景下的运行适应性。
(2) 针对晶闸管整流器运行中吸收感性无功的问题，所设计的MMC无功补偿控制可有效改善交流侧无功分布。结果表明，MMC输出的无功功率可抵消晶闸管整流器吸收的无功功率，使交流电网侧无功功率趋近于零，并网点功率因数显著提升。这表明MMC在并联融冰装置中不仅能承担有功功率支撑功能，还可作为灵活无功调节单元，降低融冰过程对交流电网电压和功率因数的不利影响。
(3) 针对晶闸管整流器产生的特征谐波电流，所设计的MMC有源滤波控制策略可有效降低交流电网侧谐波含量。仿真结果显示，经MMC谐波补偿后，交流电网侧电流波形更接近正弦波，5次、7次、11次、13次等主要特征谐波得到明显抑制，总谐波失真（THD）显著降低。这表明MMC与晶闸管整流器并联运行既能兼顾大电流融冰能力与灵活调节能力，又能改善传统晶闸管直流融冰装置带来的电能质量问题。
综上，所提出的主从协调控制策略可在保持晶闸管整流器大电流输出优势的同时，利用MMC的快速可控特性实现有功功率补充、无功补偿和谐波抑制，从而提升混合融冰装置的综合运行性能。需注意，本研究主要基于PSCAD仿真验证，尚未充分考虑模型简化、测量误差、网络不对称及暂态运行状态的影响，未来需结合小信号稳定性分析、控制器动态响应及实验平台测试进一步评估该方法在复杂电网条件下的适用性。