模塊化多電平變流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)

武 文，荊 龍，吳學(xué)智，苑曉垚

（1.北京交通大學(xué)國家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京100044；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100044）

模塊化多電平變流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)

武 文1，荊 龍1，吳學(xué)智1，苑曉垚2

（1.北京交通大學(xué)國家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京100044；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100044）

MMC已經(jīng)成為工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，仿真分析雖然靈活方便，但有時(shí)與實(shí)際工況存在差距。首先設(shè)計(jì)了三相9電平MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)；然后遵照模塊化的原則，設(shè)計(jì)了子模塊；控制系統(tǒng)使用分層的構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了不同層級(jí)的控制與保護(hù)；再利用載波移相、電壓均衡控制及PR調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了電容均壓及環(huán)流抑制。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)的性能。利用該平臺(tái)能夠?yàn)镸MC的研究提供一個(gè)方便有效的手段。

模塊化多電平變流器（MMC）；實(shí)驗(yàn)樣機(jī)；控制系統(tǒng)；子模塊

引言

伴隨大功率可關(guān)斷電力電子器件應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于電壓源逆變器VSC（voltage source converter）的直流輸電技術(shù)逐漸被世界各國應(yīng)用到輸配電網(wǎng)絡(luò)中［1-2］，在我國這種技術(shù)又被稱為柔性直流輸電技術(shù)。其中，基于模塊化多電平技術(shù)MMC（modular multilevel converter）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究更是得到了國內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界的青睞。因?yàn)閭鹘y(tǒng)兩電平或者三電平VSC需要將多個(gè)電力電子器件直接串聯(lián)以達(dá)到所需電壓等級(jí)，不僅會(huì)在換流閥及與交流系統(tǒng)連接的電抗上產(chǎn)生較大的電壓、電流應(yīng)力和電磁干擾，還會(huì)產(chǎn)生大量諧波［3］。而模塊化多電平換流器采用模塊化設(shè)計(jì)，不僅可以有效提高換流器承受的電壓等級(jí)，還可以避免上述兩電平和三電平VSC的不足［4］。

目前，針對(duì)MMC的研究工作主要側(cè)重于MMC的數(shù)學(xué)建模和控制策略的研究［5-8］，文獻(xiàn)［9］研究了MMC的硬件結(jié)構(gòu)。但是，有時(shí)為了節(jié)約開發(fā)成本、縮短研究周期和一些實(shí)際條件的限制，對(duì)于一些研究結(jié)果的驗(yàn)證多數(shù)情況下是通過仿真手段來實(shí)現(xiàn)的，而仿真結(jié)果往往會(huì)和實(shí)際情況有出入和差別。在此背景下，文中設(shè)計(jì)了1臺(tái)功率10 kVA的MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，為有效地、正確地研究MMC系統(tǒng)特性提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。

1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主電路

三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，它由6個(gè)橋臂組成，其中每相包括上、下2個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊SM（sub-module）和1個(gè)橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，上、下橋臂電感的連接點(diǎn)構(gòu)成對(duì)應(yīng)相橋臂的輸出端。子模塊SM由1個(gè)IGBT半橋和直流電容構(gòu)成。它具有2種輸出電平，假設(shè)SM的電容電壓保持為E，當(dāng)T1開通，T2關(guān)斷時(shí)，子模塊投入使用，輸出電壓為E；當(dāng) T1關(guān)斷，T2開通時(shí)，子模塊切除，輸出電壓為0，這樣子模塊通過一定規(guī)則的投切動(dòng)作即可在交流側(cè)獲得多電平的輸出。

圖1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of MMC

圖2是MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主電路接線示意。為方便實(shí)驗(yàn)接線與調(diào)試，MMC的交、直流側(cè)均連接至同一條380 V交流電源母線上：直流電源經(jīng)調(diào)壓器、整流橋和濾波電容產(chǎn)生；交流側(cè)通過調(diào)壓器和隔離變壓器T接入MMC系統(tǒng)，圖中BK1與BK2分別是交、直流側(cè)的空氣開關(guān)，用來控制380 V交流電源的接入與切除。同時(shí)在直流側(cè)增設(shè)了2個(gè)熔斷器F1、F2來保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必要時(shí)可以防止故障范圍擴(kuò)大，減小不必要的經(jīng)濟(jì)損失。J1-J4均為接觸器，可由上層控制器直接控制，J1、J2用于交流側(cè)預(yù)充電控制，J3、J4用于直流側(cè)預(yù)充電控制。

圖2 MMC樣機(jī)系統(tǒng)主電路接線Fig.2 Main circuit configuration of prototype of MMC

2 子模塊單元設(shè)計(jì)

子模塊作為MMC系統(tǒng)的基本單元其地位非常關(guān)鍵，子模塊設(shè)計(jì)的成功與否直接關(guān)系到整個(gè)變流器性能的優(yōu)劣。

本文在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，為了能夠更好地模擬應(yīng)用，采用工程應(yīng)用的集成控制器的子模塊設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的子模塊單元的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。從圖3可以看出，子模塊電路結(jié)構(gòu)主要分成2部分：功率電路和控制電路兩部分。右側(cè)為功率電路，左側(cè)為控制電路，然后通過光耦進(jìn)行隔離，以避免功率部分的噪聲對(duì)控制電路產(chǎn)生影響。

功率電路的核心是由智能功率模塊IPM組成的半橋拓?fù)浜椭绷麟娙?，再加上外圍的吸收電路、采樣電路、放電電路、旁路電路以及電壓檢測電路等組成，實(shí)現(xiàn)了子模塊工作狀態(tài)檢測、電壓采樣和保護(hù)閉鎖等功能；控制電路的核心是可編程的CPLD，再配合外圍的接口電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等實(shí)現(xiàn)子模塊的控制和保護(hù)功能，包括死區(qū)發(fā)生、IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)、狀態(tài)判斷和指示、子模塊旁路等。需要注意的是，保護(hù)電路一方面可以接收來自控制器的保護(hù)命令，向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出封鎖信號(hào)，即為控制器保護(hù)（軟件保護(hù)）；另一方面可以判斷采樣電路發(fā)送來的電壓、電流信息若超過安全值，則向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送封鎖信號(hào)，并產(chǎn)生故障事件發(fā)送給控制器，同時(shí)通過自身的邏輯電路判斷故障類型，等待控制器查詢，即為硬件保護(hù)。這兩套機(jī)制的組合使得子模塊既能夠迅速處理本地故障，并將故障事件上報(bào)控制器，又可以響應(yīng)上層控制器發(fā)送的保護(hù)命令。

在設(shè)計(jì)上，控制電路和上級(jí)控制器沒有電氣上的聯(lián)系，通過光纖連接的形式使變流器總控制器和子模塊內(nèi)的控制部分連接起來。考慮到未來可能的功能拓展，在子模塊中預(yù)留了1路光纖接口和4路數(shù)字接口。圖4是子模塊實(shí)物，各部分電路在圖中已明確標(biāo)出。

圖3 子模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Prototype of sub-module

圖4 子模塊電路板Fig.4 Sub-module card

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MMC樣機(jī)的整體控制系統(tǒng)如圖5所示，系統(tǒng)采用三層控制結(jié)構(gòu)，分別通過人機(jī)界面系統(tǒng)、主控制器和子模塊控制器實(shí)現(xiàn)。這種改進(jìn)的分層控制系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)同步性以及可靠性較低等問題，能有效提高實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的效率的穩(wěn)定性。

圖5 控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Architecture of control system

人機(jī)界面完成系統(tǒng)電壓電流等信號(hào)的顯示以及有功和無功的控制；主控系統(tǒng)MCS（main control system）接收上位機(jī)有功無功物理量等參考值，產(chǎn)生子模塊狀態(tài)控制信號(hào)（CTR）和PWM脈沖；子模塊控制器SMC（sub-module controller）完成PWM脈沖的分配以及保護(hù)。MCS采用雙DSP與雙FPGA，SMC的處理芯片為復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD（complex programmable logic device）。具體各層之間的通信內(nèi)容見表1。

表1 各層之間通信內(nèi)容Tab.1 Communication contents between levels

3.2 控制策略設(shè)計(jì)

變流器網(wǎng)側(cè)采用網(wǎng)壓定向控制，定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸與電壓矢量重合，則MMC變換器在dq坐標(biāo)系下的電流方程［10］為

功率方程為

式中：ed、eq為電網(wǎng)電壓在dq坐標(biāo)系下分量；ud、uq為換流器網(wǎng)側(cè)輸出電壓在dq坐標(biāo)系下分量；p為微分算子；P、Q為變流器輸出有功功率和無功功率。

圖6為控制策略實(shí)現(xiàn)框圖。外環(huán)控制器生成d軸和q軸電流參考值和參與電流解耦控制，電流內(nèi)環(huán)控制引入電壓前饋項(xiàng)，提高了內(nèi)環(huán)控制器跟蹤速度。內(nèi)環(huán)電流解耦控制器的輸出量vrdef和vrqef為參考電壓的d軸、q軸分量，其經(jīng)過反變換后得到期望變流器輸出的正弦參考電壓［11］。參考調(diào)制波加入電容電壓均衡和環(huán)流抑制策略疊加量，經(jīng)過載波移向調(diào)制輸出PWM脈沖信號(hào)。

圖6 控制策略實(shí)現(xiàn)框圖Fig.6 Control strategy of MMC

本文MMC系統(tǒng)采用一種基于載波移相調(diào)制策略的閉環(huán)均壓控制策略［12］，包括每一相電容電壓平均控制和每個(gè)子模塊電容電壓平衡控制，具體控制框圖如圖7所示。電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，控制各相橋臂中直流電容電壓平均值跟蹤參考值；內(nèi)環(huán)為環(huán)流控制，控制實(shí)際環(huán)流跟蹤環(huán)流參考值。子模塊電容電壓平衡控制采用每相橋臂的8個(gè)模塊電容電壓與模塊電容電壓參考值相比較，所得偏差經(jīng)比例調(diào)節(jié)器P后，根據(jù)橋臂電流方向得到穩(wěn)壓控制下的電容電壓修正量。

圖7 電容電壓均衡控制Fig.7 Balance control of capacity voltage

環(huán)流抑制策略的實(shí)現(xiàn)依靠2個(gè)部分：首先采用基于二階廣義積分器的方法對(duì)2倍頻分量進(jìn)行提取，然后該交流分量與參考值作比較經(jīng)過PR調(diào)節(jié)器后獲得用于抑制環(huán)流的調(diào)制波，再將其疊加到原有調(diào)制波上，從而可達(dá)到抑制環(huán)流的效果，為實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制的效果，環(huán)流指令icirref給定為0，具體控制策略框圖如圖8所示。

圖8 環(huán)流抑制策略Fig.8 Circulating current suppressing strategy

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

為了測試設(shè)計(jì)的三相9電平MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的特性，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主電路參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖如圖9所示。

表2 MMC樣機(jī)系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Power Circuit Parameters

圖9 10kVA MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.9 10 kVA MMC experimental protoptype

4.2 均壓與環(huán)流策略驗(yàn)證

電容電壓平衡效果如圖10所示。從圖10中可以看出，t0時(shí)刻投入電容電壓控制策略后，每個(gè)子模塊的電壓波動(dòng)較小，較好地實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊電容電壓的平衡。圖11是電容電壓穩(wěn)定后A相上下橋臂電流及環(huán)流波形，由圖可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)流主要為2倍頻交流量成分，其疊加到橋臂上后增大了橋臂電流。而在t1時(shí)刻啟動(dòng)環(huán)流抑制策略后環(huán)流成分基本消除，同時(shí)橋臂電流明顯減小。2次實(shí)驗(yàn)通過均壓與環(huán)流抑制策略的實(shí)現(xiàn)不僅從表明了樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，還表明該樣機(jī)可以用來驗(yàn)證MMC的控制手段是否有效。

圖10 電容電壓平衡效果Fig.10 Effectiveness of additional balancing control

圖11 環(huán)流抑制效果Fig.11 Effectiveness of circulating current suppressor

4.3 功率階躍實(shí)驗(yàn)

在直流側(cè)電壓升至額定值650 V、交流側(cè)并網(wǎng)的條件下，通過給定有功電流指令和無功電流指令的變化，來完成功率的突變。圖中Ua是網(wǎng)側(cè)A相網(wǎng)壓，ia是A相輸出電流，iap與ian分別是A相上下橋臂電流。圖12為有功功率階躍實(shí)驗(yàn)波形，t3時(shí)刻維持無功電流指令為0不變，有功電流指令由0 A突變到10 A，此時(shí)橋臂電流和輸出電流經(jīng)過約0.08 s的暫態(tài)過程達(dá)到穩(wěn)定。圖13為工況突變實(shí)驗(yàn)波形。在t4時(shí)刻無功電流指令降為0，有功電流指令由0 A突變到-10 A，同樣經(jīng)過一短時(shí)的暫態(tài)過程輸出電流與橋臂電流達(dá)到穩(wěn)定。通過該功率階躍和工況突變實(shí)驗(yàn)可以看出設(shè)計(jì)的MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)能夠在不同工況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步表明了樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。

圖12 有功階躍波形Fig.12 Waveforms of active step power response

圖13 無功反轉(zhuǎn)波形Fig.13 Waveforms of reactive power inversion response

4 結(jié)語

針對(duì)MMC研制出了1臺(tái)三相9電平MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)的子模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，使得維護(hù)更換極為方便，更增加了設(shè)計(jì)的簡單和使用的方便性，同時(shí)其自帶控制器的設(shè)計(jì)方案，使得子模塊的控制更加靈活，功能拓展性更巧，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)故障子模塊故障定位。而樣機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用三級(jí)分層控制，有效降低了主控制器與子模塊單元之間的通信壓力，提高了控制系統(tǒng)的可靠性與效率。最后在樣機(jī)上進(jìn)行了一系列的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)各項(xiàng)性能符合設(shè)計(jì)要求，為MMC的特性與控制技術(shù)的研究提供一個(gè)可靠且有效的平臺(tái)。

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武文

石紹磊

作者簡介：

石紹磊（1991-），男，通信作者，碩士研究生。研究方向?yàn)槟K化多電平DC/ DC變換器，E-mail:373841185@qq.com。

李彬彬（1989-），男，博士研究生，研究方向?yàn)槟K化多電平變換器E-mail: libinbinhit@163.com。

張毅（1990-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)槟K化多電平DC/DC變換器E-mail:zysean@163.com。

徐殿國（1960-），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用、交流伺服控制系統(tǒng)、照明電子技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)、電網(wǎng)品質(zhì)控制技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)，新能源發(fā)電技術(shù)等，E-mail:xu diang@hit.edu.cn。

Design of Modular Multilevel Converter Prototype

WU Wen1,JING Long1,WU Xuezhi1,YUAN Xiaoyao2
（1.National Active Distribution Network Technology Research Center（NANTEC）,Beijing 100044,China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）

Modular multilevel converter（MMC）has become the industry and academia research focus.Although simulation is flexible,but sometimes there is a gap with the actual working conditions.First a prototype of MMC with nine level output voltages is designed and implemented.In accordance with the principle of modular designed sub-module,and control system using a layered architecture to achieve the different levels of control and protection,then use carrier phase shifting,voltage balanced control and PR control strategy achieve a capacitive pressure and circulation are suppressed. Experiment results show that the MMC prototype can run in the normal state,the power step respond is quick and verify the design of MMC prototype is reasonable.

modular multilevel converter（MMC）;experimental prototype;control prototype;sub-module

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.117

：TM 46

：A

武文（1992-），男，通信作者，碩士研究生，從事電力電子與柔性直流輸電研究，E-mail：14121482@bjtu.edu.cn。

荊龍（1977-），男，博士，講師，從事新能源發(fā)電與柔性直流輸電方向研究，E-mail：ljing@bjtu.edu.cn。

吳學(xué)智（1975-），男，博士，副教授，從事電力電子與新能源發(fā)電技術(shù)方向研究，E-mail：xzhwu@bjtu.edu.cn。

苑曉垚（1990-），男，碩士研究生，從事電力電子與柔性直流輸電方向研究，E-mail：13121496@bjtu.edu.cn。

2015-09-10

北京市科委資助項(xiàng)目（D141100001714001）

Project Supported by Programs of Science and Technology Commission Foundation of Beijing Province（D141100001714001）.