2.3.3 仿真验证及经济性分析

本节详细介绍一种基于谐波电流和谐波电压耦合注入降低MMC子模块电容电压纹波的方法。以反向谐波注入方法[式（2-14）]和三倍频电压注入方法[式（2-18）]为例，并基于厦门工程逆变侧参数进行验证，仿真模型系统结构如图2-7所示。

图2-7 仿真模型系统结构

图2-7中，箭头方向为系统潮流方向，Z_s1为交流系统阻抗。MMC系统参数和不同工况下参数对比见表2-4和表2-5。

表2-4 MMC系统参数

注：额定有功功率的负值代表换流站吸收有功功率。

表2-5 不同工况下参数对比

（续）

注：I_2s为MMC换流阀桥臂固有环流量。

表2-5中的对照工况是指通过CCSC方案降低子模块电容电压纹波的工况。等电容工况是指子模块电容容值和对照工况相等，通过二倍频环流注入方案降低子模块电容电压纹波的工况。分别截取两种工况下的有功功率P、子模块电容电压u_C、桥臂子模块导通个数N_ap、桥臂电流的二倍频分量i_2s4个关键电气量波形图进行比较，本节关于子模块电容电压波动变化率按照式（2-9）计算。两种工况下关键电气量的波形如图2-8所示。

图2-8 MMC关键电气量的波形（等容值）

a）对照工况 b）等容值工况

通过对比两种工况的有功功率可知，在等容值工况下程序仍能稳定运行。通过对比两种工况下子模块电容电压纹波，并据式（2-8）的计算方法，可知等容值工况可有效降低子模块电容电压波动纹波幅值达36.08%。通过对比两种工况下的子模块导通个数的范围，可知虽然桥臂电流的二倍频分量的注入会增加子模块个数的使用，但注入三倍频电压可有效缓解子模块个数的使用情况。通过对比两种工况下桥臂电流的二倍频分量可看出，通过环流注入控制器可有效实现桥臂电流的注入。

MMC子模块电容容值C和电容电压波动变化率ε的关系为

式中，P_s为MMC换流阀额定容量，其余变量和式（2-22）具有相同的物理意义。从式（2-23）可看出，电容电压纹波的降低可有效实现子模块电容容值的降低。为更直观验证耦合注入方案在子模块电容容值降低的有效性，进行低容值工况下的耦合注入方案的仿真验证。将表2-5中等容值工况下的子模块电容容值降低35%，并将此种工况下的子模块电容电压纹波与CCSC方案进行对比。关键电气量的波形如图2-9所示。

图2-9 MMC关键电气量波形（低容值）

a）对照工况 b）低容值工况

图2-9的一系列波形为低容值工况下MMC的一系列电气量波形图。通过对比两种工况（对照工况和低容值工况）下的有功功率可知，在低容值工况下程序仍能稳定运行。通过对比两种工况下子模块电容电压可知，MMC运行在低容值工况下子模块电容电压波动波形峰峰值不大于对照工况下子模块电容电压波动范围。通过对比两种工况下桥臂导通子模块个数可知，当运行在低容值工况下时子模块使用个数的峰峰值范围为7～191个，和对照工况相比，又增加了一些子模块个数的使用，但此工况下子模块使用个数仍小于桥臂子模块总数，并留有一定的裕度。通过对比两种工况下的桥臂电流的二倍频分量可知，低容值工况下环流注入控制器仍能有效工作。

以表2-4参数为例计算两种不同工况（对照工况和低容值工况）下1个半桥子模块（以A相上桥臂为例）的通态损耗、开关损耗和总损耗，对应数值见表2-6。

表2-6 不同工况下HBSM的损耗对比

（续）

从表2-6可以看出，低容值工况下子模块电容电压的损耗相比于对照工况有所降低，主要原因为三倍频电压注入后调制比的提高使得基频电流降低，从而使损耗整体减小。