基于模型预测控制的混合MMC直流故障穿越能力增强方法

《Electric Power Systems Research》：A DC fault ride-through capability enhancement method for hybrid MMC based on model predictive control

　　

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  提出一种改进的模型预测控制方法用于模块化多电平变流器，以大幅降低计算负担。
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  设计一种负电压协同自适应限幅策略，以提升混合模块化多电平变流器的负电压输出能力。
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  与传统控制方案相比，故障电流清除速度提高了74%。
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  构建二阶RLC瞬态模型，分析控制切换前后的直流故障电流瞬态特性。

引言

为实现碳达峰和碳中和承诺，中国正积极推进风能和光伏发电基地的建设[[1]、[2]、[3]]。因此，亟需构建适合大规模可再生能源远距离输送的电力网络架构[[4]、[5]、[6]]。基于模块化多电平变流器的高压直流输电具有无换相失败风险、控制模式灵活、谐波畸变可忽略以及支持可再生能源电站孤岛运行等优势[[7]、[8]、[9]、[10]]。近年来，该技术受到广泛关注并被广泛应用，如张北柔性直流电网示范工程和昆柳龙特高压多端柔性直流工程等。它为中国沙漠、戈壁、荒漠及深远海区域的太阳能和风能资源开发提供了可靠的技术支撑，展现出广阔的发展前景。

由于远距离输电通常采用架空线路，直流线路故障容易发生。短路故障发生后，直流电流急剧上升，制约了柔性直流输电的发展[11]。半桥模块化多电平变流器无法满足故障穿越规范，而直流断路器又会产生过高的建设成本[12]。因此，由半桥子模块（HBSM）和全桥子模块（FBSM）组成的混合MMC得到了广泛研究，成为沙漠、戈壁和荒漠地区送电的首选方案。混合MMC可以实现直流故障的无阻断穿越。然而，FBSM的运行损耗是HBSM的1.7倍以上，这大大增加了建设成本。因此，兼顾HBSM和FBSM各自优势的混合MMC在现有研究中受到广泛关注[13]。中国正在进行的甘肃至浙江±800 kV特高压直流输电工程采用了FBSM比例为60%的混合MMC方案。基于这一实际应用场景，本文旨在实现优异的直流故障穿越能力。

目前，在混合MMC直流故障穿越技术领域已取得一定的研究进展和理论成果[[14]、[15]、[16]、[17]、[18]]。文献[19]提出了一种基于机械直流断路器和混合MMC的协同故障穿越策略，通过降低混合MMC中FBSM的比例来降低系统总成本。文献[20]将半桥MMC中的冗余HBSM替换为FBSM以构建混合MMC，并通过与混合直流断路器协同实现故障穿越。文献[21]提出了一种辅助全桥变流器（AFC），通过与HBSM集成形成混合MMC以实现直流故障穿越能力。然而，上述方法依赖辅助设备实现故障清除。文献[22]针对混合MMC提出了一种软电流抑制（SCS）控制策略，实现了故障电流限幅和故障中断的双重功能。文献[23]将故障线路电流布置在直流电流控制环内，在故障清除性能和电力传输持续性之间取得平衡。然而，这些方案未能提升系统的故障穿越性能。文献[24]针对混合MMC提出了一种混合调制模型预测控制策略，并验证了其在直流故障穿越中的适用性。然而，该文仍采用较为传统的零电压控制方法来抑制故障电流。综上所述，虽然现有研究取得了一定成果，但仍存在适用性不足和控制环节复杂等问题。因此，混合MMC故障穿越领域仍有较大的研究潜力。

本文首先分析了直流故障穿越过程中的故障电流瞬态过程，探讨了影响故障电流清除的关键因素。其次，在传统双闭环控制策略的基础上引入改进的模型预测控制方法，通过提前预测交流电流和内部环流电流来抑制故障电流峰值。第三，提出了一种与负电压协同的自适应限幅控制方法。根据FBSM的负电压生成能力，通过限制调制波的幅值来提升具有固定全桥比例的混合MMC的负电压运行能力，从而实现直流故障的快速清除。最后，基于甘肃至浙江±800 kV特高压直流输电工程在PSCAD/EMTDC中构建了混合MMC模型，验证了所提策略的优越性和可行性。

章节摘要

混合MMC拓扑结构

图1展示了混合MMC的拓扑结构，包含三相六个桥臂，每个桥臂包含N_F个FBSM和N_H个HBSM。图中，u_vj表示MMC的交流电压；i_pj和i_nj分别为上桥臂电流和下桥臂电流；u_pj和u_nj分别表示上桥臂电压和下桥臂电压，其正方向如图所示；U_dc为直流电压，I_dc为直流电流。

混合MMC运行模式

与半桥MMC相比，混合MMC具有更宽的

控制策略切换前的瞬态过程分析

在直流侧短路故障的初始阶段，故障穿越策略尚未启动。变流器桥臂受到交流侧馈入能量和子模块电容快速放电的综合作用，最终导致过电流。鉴于故障检测量级为毫秒级，在此时间间隔内交流侧馈入的能量占比较小。因此，仅需考虑子模块的

混合MMC控制策略

混合MMC的传统双闭环控制方案由外层功率环控制和内层电流环控制组成。有功功率外环采用带DQ轴电流解耦控制的策略。外环用于调节直流电压、有功功率和子模块电容电压等有功控制变量，无功控制变量则涵盖交流电压和无功功率。内环电流控制器用于校正系统偏差

仿真与分析

基于甘肃—浙江±800 kV特高压直流输电工程，在PSCAD/EMTDC平台上建立了±800 kV/8000 MW混合MMC-HVDC模型，以验证所提直流故障穿越策略的性能。图11展示了仿真系统布局。

如图11所示，两端变流器均采用混合MMC拓扑，FBSM比例为60%。送端变流器作为功率控制站运行，而受端站则作为

结论

基于对混合MMC直流故障瞬态的分析，提出了一种采用改进模型预测控制和负电压协同自适应限幅的直流故障穿越方案。主要结论如下：

• 1)
  提出了一种改进的模型预测控制策略。通过预测交流侧电流和内部环流电流，推导出桥臂电压参考值。结合最近电平调制和子模块电压平衡技术来确定开关

CRediT作者贡献声明

王贺：资源。臧振溪：写作——初稿。卞婧：数据整理。郭嘉志：写作——审稿与编辑。

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