MMC-HVDC 直流输电系统仿真探索：性能与控制的融合之旅

MMC模块化多电平换流器，MMC-HVDC直流输电系统，单个桥臂N=10个子模块，采用载波移相调制 simulink仿真模型。 为了测试控制性能良好，在1s时，额定有功功率10e6增加到15e6。 子模块电压2000V，直流电压20KV。 定有功功率控制+定无功功率控制+二倍频环流抑制控制（PI或PR）+子模块电容电压均衡控制 总体效果很好。

在电力传输领域，MMC（模块化多电平换流器）与MMC-HVDC（高压直流输电）系统可谓是备受瞩目的明星技术。今天就来聊聊基于MMC-HVDC系统的一些有趣的仿真实践。

我们搭建的这个MMC-HVDC直流输电系统，单个桥臂的子模块数量设定为 \( N = 10 \) ，并采用了载波移相调制方式。这种调制方式在MMC中能有效减少输出电压的谐波含量，让波形更加平滑。

Simulink仿真模型搭建

在Simulink中搭建模型时，关键就在于对各个子模块的精准建模与连接。首先是子模块部分，其电压设定为 \( 2000V \)，而整个直流电压为 \( 20KV \) 。以简单的子模块建模为例（假设使用MATLAB语言进行描述，实际Simulink中通过模块搭建）：

% 子模块参数定义 submodule_voltage = 2000;

这行代码就定义了子模块的电压值，在Simulink中对应的是设置子模块电压参数的操作。

控制策略实现

为了测试系统的控制性能，我们采用了一系列控制策略：定有功功率控制、定无功功率控制、二倍频环流抑制控制（采用PI或PR控制器）以及子模块电容电压均衡控制。

1. 定有功功率控制

定有功功率控制的目的在于让系统按照我们期望的功率值输出。假设使用PI控制器，其基本原理就是通过对有功功率参考值 \( P{ref} \) 和实际测量的有功功率 \( P{measured} \) 的差值进行比例积分运算来调节控制变量。代码示例如下：

% 定义PI参数 Kp_p = 0.5; Ki_p = 0.1; % 初始化积分项 integral_p = 0; % 计算PI输出 error_p = P_ref - P_measured; integral_p = integral_p + error_p * dt; control_signal_p = Kp_p * error_p + Ki_p * integral_p;

这里， \( Kpp \) 和 \( Kip \) 分别是比例和积分系数，根据系统特性进行调整。通过不断更新积分项和比例项的计算，得到控制信号 \( controlsignalp \) 来调节有功功率。

1. 定无功功率控制

与定有功功率控制类似，定无功功率控制也是为了维持无功功率在设定值。

% 定义PI参数 Kp_q = 0.4; Ki_q = 0.08; % 初始化积分项 integral_q = 0; % 计算PI输出 error_q = Q_ref - Q_measured; integral_q = integral_q + error_q * dt; control_signal_q = Kp_q * error_q + Ki_q * integral_q;

这里同样利用PI控制器，对无功功率参考值 \( Q{ref} \) 和实际测量的无功功率 \( Q{measured} \) 的差值进行运算，得到控制信号 \( controlsignalq \) 。

1. 二倍频环流抑制控制

采用PI或PR控制器来抑制二倍频环流。以PR控制器为例，PR控制器对特定频率的信号有很好的抑制作用。在代码实现上，相较于PI控制器，会增加对特定频率的补偿环节。

% 定义PR参数 Kp_pr = 0.6; Ki_pr = 0.1; omega = 2 * pi * 100; % 二倍频，50Hz系统下为100Hz % 初始化积分项 integral_pr = 0; % 计算PR输出 error_pr = circulating_current_error; integral_pr = integral_pr + error_pr * dt; control_signal_pr = Kp_pr * error_pr + Ki_pr / omega * sin(omega * t) * error_pr;

这里通过对环流误差信号进行处理，利用PR控制器的特性来抑制二倍频环流。

1. 子模块电容电压均衡控制

子模块电容电压均衡控制确保每个子模块的电容电压保持在合理范围内。这通常通过比较各个子模块电容电压，并根据差值来调整子模块的投入与切除。虽然代码实现相对复杂，但原理简单来说就是：

% 假设已经获取各个子模块电容电压值voltages avg_voltage = mean(voltages); for i = 1:length(voltages) if voltages(i) > avg_voltage % 采取措施降低该子模块电容电压，比如减少充电时间 else % 采取措施升高该子模块电容电压，比如增加充电时间 end end

性能测试

为了测试控制性能良好，在仿真时间到 \( 1s \) 时，将额定有功功率从 \( 10e6 \) 增加到 \( 15e6 \) 。从仿真结果来看，系统在这种工况变化下，通过上述一系列控制策略的协同工作，总体效果很好。有功功率能快速跟踪参考值的变化，无功功率保持稳定，二倍频环流得到有效抑制，子模块电容电压也维持均衡。

这次基于MMC-HVDC系统的Simulink仿真探索，让我们看到了通过精心设计控制策略，能够让系统在复杂工况下保持良好的性能表现。无论是电力传输的稳定性还是电能质量，都能得到有效保障。未来，随着技术的不断发展，相信MMC-HVDC系统在电力领域会发挥更大的作用。