DC/DC/AC混合型MMC變換器控制策略分析與設(shè)計(jì)

魏 亮，馬文忠，劉 勇，王 曉，趙華芳

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，青島 266580）

DC/DC/AC混合型MMC變換器控制策略分析與設(shè)計(jì)

魏 亮，馬文忠，劉 勇，王 曉，趙華芳

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，青島 266580）

研究了一種可以實(shí)現(xiàn)電能不同形式綜合利用的DC/DC/AC混合型模塊化多電平變換器（MMC），該結(jié)構(gòu)的變換器實(shí)現(xiàn)了電壓變換功能的多樣化。首先，分析了該種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)DC/DC與DC/AC混合電壓變換的模塊化多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然后，利用功率正交原理，設(shè)計(jì)了DC/DC/AC混合型模塊化多電平變換器的閉環(huán)控制策略；最后，在給定交流負(fù)載側(cè)交流電流的前提下，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)橋臂子模塊電容電壓的均衡控制。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的DC/DC/AC混合型模塊化多電平變換器電壓變換功能的可行性以及控制策略的有效性。

模塊化多電平變換器（MMC）；DC/DC變換器；DC/AC變換器；電容電壓平衡

引言

隨著能源的短缺和環(huán)境的惡化，我國(guó)的能源開發(fā)和利用己從傳統(tǒng)能源向綠色可再生能源過渡，風(fēng)能、太陽能等大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)，有效解決了此問題，但其間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，也為新能源的接納提出了挑戰(zhàn)。多端柔性直流輸電技術(shù)作為可再生能源接入電網(wǎng)的有效手段，以其有功無功獨(dú)立控制、無需濾波及無功補(bǔ)償設(shè)備、可向無源負(fù)荷供電等優(yōu)勢(shì)，越來越受到電力行業(yè)的青睞。由于直流電網(wǎng)的電壓等級(jí)尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)于不同等級(jí)的直流電壓，需要用DC/DC變換器進(jìn)行互聯(lián)。

針對(duì)大功率DC/DC變換器，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了相關(guān)研究，并卓有成效［1-4］?，F(xiàn)有高壓大功率DC/DC變換器有2種拓?fù)洌憾鄠€(gè)小容量變換器模塊串并聯(lián)和模塊化多電平變換器［5］。模塊化多電平變換器MMC因其結(jié)構(gòu)模塊化、電平拓展方便等優(yōu)點(diǎn)得到了深入研究，并在其調(diào)制策略、電容電壓平衡、環(huán)流抑制、容錯(cuò)運(yùn)行等方面取得一定的成果［6-13］。已被廣泛應(yīng)用在高壓直流輸電HVDC、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。傳統(tǒng)直流變換器的容量小、系統(tǒng)級(jí)聯(lián)困難等因素限制了直流變換在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用，而模塊化多電平結(jié)構(gòu)則可以克服傳統(tǒng)系統(tǒng)容量拓展困難的問題。文獻(xiàn)［14］分別設(shè)計(jì)了單向DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器，闡述了2種變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理以及控制方式，對(duì)比了新型變換器的優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)［15］提出了2種基于模塊化多電平的直流變換器結(jié)構(gòu)，并在模塊化多電平回路中注入高頻電流來平衡子模塊電容，通過將該種控制策略應(yīng)用于直流模塊化多電平變換器中驗(yàn)證了該控制策略的正確性；文獻(xiàn)［16-17］提出一種雙向全橋式模塊化DC/DC變換器，并詳述了其工作原理以及控制過程，但其結(jié)構(gòu)中含有變壓器，在正常工作時(shí)的功率損耗較大；文獻(xiàn)［18］提出一種新型的模塊化多電平DC/DC變換器（DC-MMC）具有能量雙向流動(dòng)以及故障阻斷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其功率損耗小，內(nèi)部無需變壓器，且其結(jié)構(gòu)為模塊化的結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的拓展，適合于大功率、高壓大電流的場(chǎng)所。同時(shí)文獻(xiàn)［18］實(shí)現(xiàn)了DC/DC變換過程中子模塊電容電壓均衡閉環(huán)控制。

因文獻(xiàn)［18］中的電容均壓控制策略給定的是外橋臂的電壓調(diào)制波幅值，在實(shí)現(xiàn)DC/AC變換時(shí)，不能有效實(shí)現(xiàn)交流側(cè)閉環(huán)控制輸出?；诖耍疚脑诮o定交流側(cè)電流的前提下，提出了一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)DC/DC與DC/AC電壓變換的控制策略，該控制策略能夠有效均衡子模塊的電容電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 DC/DC/AC混合型變換器結(jié)構(gòu)框圖

圖1為DC/DC/AC兩列結(jié)構(gòu)框圖，其中每一列由上、下兩個(gè)橋臂級(jí)聯(lián)而成（連接點(diǎn)o1，o2），每個(gè)橋臂又分為外橋臂和內(nèi)橋臂，其外橋臂由k個(gè)全橋式的子模塊（FB）級(jí)聯(lián)而成，內(nèi)橋臂中m個(gè)子模塊的結(jié)構(gòu)為半橋結(jié)構(gòu)（HB）。圖中，連接點(diǎn)o1、o2間的交流負(fù)載為L(zhǎng)r與Ra，是DC/DC/AC變換器正常工作時(shí)子模塊的電容電壓平衡所需的橋臂環(huán)流流通的路徑；Ls與Cs為輸入端的濾波器。輸出端的濾波電感Lf具有足夠大的電感值阻隔交流電流流入輸出端，且其耦合電感的形式可以消除直流磁通；電容Cf用于消除由子模塊開關(guān)器件動(dòng)作而帶來的高頻電流。

圖1 DC/DC/AC變換器的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of DC/DC/AC converter

2 DC/DC/AC混合型變換器工作原理

2.1 功率正交原理

根據(jù)傅里葉分解可知，非正弦的電壓與電流可以用各個(gè)頻率的正弦波之和表示，即

式中：V0和I0分別為電壓和電流的直流分量；Vn、In為n次諧波有效值；ω為基波角頻率；θn、φn為n次電壓電流諧波初相角。

有功功率是電壓與電流乘積在一個(gè)周期積分的平均值，然而不同頻率的電流與電壓的乘積在一個(gè)周期的積分值為0。因此，系統(tǒng)的有功功率可以表示為

因此，對(duì)于非正弦的電壓與電流，不同頻率的電壓電流所產(chǎn)生的有功功率為0，即不同頻率的電流與電壓正交［15］。

2.2 DC/DC/AC混合型變換器工作原理

該變換器的工作原理可以看成一個(gè)DC/AC變換器與一個(gè)DC/DC變換器的疊加，因此可以分別作為DC/DC變換器、DC/AC變換器以及DC/DC/AC混合型變換器。實(shí)現(xiàn)DC/AC變換的原理與文獻(xiàn)［8］中所述的工作原理相同。在正常運(yùn)行條件下，為保證任意時(shí)刻各列橋臂中投入系統(tǒng)的子模塊總數(shù)為n，一般系統(tǒng)的上橋臂與下橋臂的功率單元對(duì)稱互補(bǔ)投入。因此為了實(shí)現(xiàn)DC/AC電壓變換，同一列橋臂的內(nèi)外橋臂交流電壓應(yīng)滿足的條件為

則交流負(fù)載側(cè)輸出的交流電壓為

當(dāng)DC/DC電壓變換時(shí)，電壓轉(zhuǎn)換比為

當(dāng)0＜D＜1，0＜D′＜1，DC/DC工作于降壓模式，外橋臂的子模塊輸出電壓與內(nèi)橋臂的子模塊輸出電壓方向一致。當(dāng)D＞1，D′＜0，DC/DC工作于升壓模式，外橋臂子模塊向系統(tǒng)注入負(fù)向電壓。由此可見，外橋臂子模塊為全橋結(jié)構(gòu)的主要作用是實(shí)現(xiàn)DC/ DC能夠靈活運(yùn)行在降壓或升壓的工作狀態(tài)。同時(shí)，在輸入輸出直流側(cè)發(fā)生直流故障時(shí)，可以通過合理控制全橋子模塊輸出電壓的極性來實(shí)現(xiàn)故障阻斷，如輸入側(cè)發(fā)生故障，外橋臂注入負(fù)壓來抵消輸出端網(wǎng)絡(luò)電壓，輸出側(cè)發(fā)生故障，內(nèi)橋臂注入正壓來抵消輸入端網(wǎng)絡(luò)電壓，從而該結(jié)構(gòu)變換器具有直流故障的雙向阻斷能力［18］。

圖1中DC/DC/AC混合型變換器正常工作的前提是子模塊的電容電壓保持平衡。為了平衡外橋臂與內(nèi)橋臂子模塊的電容電壓，需要各個(gè)部分的子模塊的電容充放電的總功率相同。圖2為DC/DC/ AC混合型變換器正常運(yùn)行的簡(jiǎn)化工作原理。其中細(xì)實(shí)線為實(shí)現(xiàn)DC/DC變換直流電流的流動(dòng)路徑，粗實(shí)線是實(shí)現(xiàn)DC/AC變換所需的直流電流的流動(dòng)路徑，點(diǎn)線為交流電流的流通路徑。實(shí)現(xiàn)DC/DC電壓變換時(shí)，流經(jīng)外橋臂的直流電流為，內(nèi)橋臂的直流電流為，實(shí)現(xiàn)DC/AC變換時(shí)的直流每列橋臂的電流為。由此可見，內(nèi)橋臂子模塊的實(shí)際直流電流的方向主要取決于。

圖2 DC/DC/AC變換器工作原理Fig.2 Working principle of DC/DC/AC converter

為了簡(jiǎn)化分析，本文做如下假設(shè)：每個(gè)橋臂的子模塊數(shù)足夠多，合成的交流電壓為理想的正弦電壓；系統(tǒng)電流電壓的交流成分主要為基頻成分；系統(tǒng)電阻忽略不計(jì)；Lf電感值足夠大，其輸出端的電流基本不含交流成分。內(nèi)外橋臂可等效為理想電源，流經(jīng)外橋臂的直流電流為，內(nèi)橋臂的直流電流為，根據(jù)功率正交原理，為了保持內(nèi)外橋臂的功率平衡，交流電流的充放電功率與直流電流的放充電功率相等，即應(yīng)滿足的功率方程為

式中：V1k為外橋臂基頻電壓相量，V1k=（/2）∠θV；I1k為外橋臂基頻電流相量，I1k=（/2）∠θ1；V1k·I1k為外橋臂基波相量點(diǎn)乘；。當(dāng)變換器運(yùn)行于DC/AC模式，iin=0；當(dāng)變換器運(yùn)行于DC/DC模式，id=0。

3 DC/DC/AC混合型變換器控制策略

圖3為DC/DC/AC混合型變換器正常工作的平衡電容電壓的閉環(huán)控制框圖。系統(tǒng)中內(nèi)、外橋臂能量主要通過流入的電流交換能量，所以系統(tǒng)需要通過內(nèi)外橋臂的耦合控制來平衡子模塊電容電壓并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。文中給定橋臂電流，為了實(shí)現(xiàn)變換器的DC/DC/AC電壓變換輸出，橋臂給定交流電流與實(shí)際交流電流的差值經(jīng)過比例諧振調(diào)節(jié)器PR生成內(nèi)橋臂的電壓給定值，外橋臂的電壓是由內(nèi)、外橋臂子模塊的電壓差經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器PI后給定。對(duì)內(nèi)、外橋臂的輸出控制采用APOD SPWM和電容選擇排序的調(diào)制策略。

圖3 DC/DC/AC變換器控制策略框圖Fig.3 Block diagram of control strategy of DC/DC/AC converter

文獻(xiàn)［18］中給定外橋臂交流電壓值，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)DC/DC電壓變換，內(nèi)橋臂為雙閉環(huán)控制（子模塊電壓外環(huán)，橋臂電流內(nèi)環(huán)），相對(duì)于文獻(xiàn)［18］，本文的控制策略不僅可以實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)［18］系統(tǒng)的DC/ DC電壓變換控制，而且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)DC/AC電壓變換。

4 仿真分析

在PSCAD中搭建了兩列式DC/DC/AC混合型變換器模型。模型中每橋臂由4個(gè)子模塊（m=k= 4）組成。橋臂的交流電壓基頻頻率為50 Hz。橋臂電感La為2.5 mH，電容為2 mF，各電容的電壓為2.2 kV，直流輸入側(cè)的濾波電容電感分別為L(zhǎng)s=0.5 mH、Cs=40 μF，輸出側(cè)的濾波電容電感為L(zhǎng)f=1 H、Cf=15 μF。直流側(cè)輸入電壓為17.6 kV，直流負(fù)載電感為20 mH、電阻為10 Ω，電壓轉(zhuǎn)換比D=0.5。系統(tǒng)給定的各個(gè)部分的上橋臂交流電流的幅值為1.1 kA，即交流負(fù)載側(cè)的交流電流幅值為2.2 kA。此時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果為

式中：Uout為直流輸出側(cè)電壓；iout為直流輸出側(cè)電流；iin為直流輸入側(cè)電流。

4.1 DC/DC電壓變換

交流環(huán)路中Lr=0.5 mH，且為固定值時(shí)，id=0，即為文獻(xiàn)［17］中的DC/DC變換器。圖4為本文控制策略時(shí)的DC/DC系統(tǒng)仿真波形。由圖可見，該控制策略能夠在均衡子模塊電容電壓前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的直流電壓變換，且能夠跟蹤控制策略給定的橋臂電流。

圖4 DC/DC變換器的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of DC/DC converter

4.2 DC/DC/AC電壓變換

DC/DC/AC混合型變換器的仿真波形如圖5所示。

圖5 DC/DC/AC混合型變換器的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of DC/DC/AC hybrid converter

交流負(fù)載為0.5 mH、電阻為2 Ω，即交流負(fù)載為阻感性負(fù)載。此時(shí)，id為

系統(tǒng)總直流輸入電流為

每一列中外橋臂子模塊的直流充電電流為

每一列中內(nèi)橋臂子模塊的直流充電電流為

由圖5可見，直流輸入、輸出電壓約為17.6 kV、8.8 kV，輸入、輸出電流約為0.99 kA、0.88 kA，耦合電感兩側(cè)的電流均為。交流負(fù)載側(cè)輸出電流幅值約為2.2 kA。且各個(gè)子模塊的電容電壓基本維持在2.2 kV左右。

5 結(jié)語

本文所提DC/DC/AC變換器可實(shí)現(xiàn)不同形式的電壓轉(zhuǎn)換，有利于不同形式電能的綜合利用，而子模塊電容電壓的平衡控制是模塊化多電平變換器的控制重點(diǎn)和難點(diǎn)，其本質(zhì)是保證電容充放電能量保持平衡，利用功率正交原理，本文在給定交流負(fù)載電流的前提下，提出了一種平衡子模塊電容電壓的控制策略。通過在時(shí)域仿真軟件PSCAD/ETDC中搭建DC/DC/AC變換器模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文結(jié)論和控制策略的正確性。

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Analysis and Design of Control Strategy for DC/DC/AC MMC Converter

WEI Liang,MA Wenzhong,LIU Yong,WANG Xiao,ZHAO Huafang
（College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum（East China）,Qingdao 266580,China）

A novel DC/DC/AC converter based on modular multilevel is studied,which can not only realize comprehensive utilization of different forms of electrical energy,but also achieve the function of converter voltage transform diversification.First,this paper analyzes the topologies of the converter based on modular multilevel which can simultaneously realize DC/DC and DC/AC hybrid voltage transform.Then,according to the power orthogonal principle, this paper designs a closed loop control strategy of DC/DC/AC converter.Finally,on the premise of a given current of AC load side,the capacitor voltage balance of each bridge arm is implemented.The simulation results validate the voltage transformation function of the DC/DC/AC hybrid converter based on modular multilevel and the feasibility of the control strategy is effective.

modular multilevel converter（MMC）;DC/DC converter;DC/AC converter;capacitor voltage balance

魏亮

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.124

：TM 46

：A

魏亮（1991-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)，E-mail:649129722@qq.com。

馬文忠（1968-），男，通信作者，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)，E-mail:mawen zhong@126.com。

劉勇（1992-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)，E-mail:3041079012@qq.com。

王曉（1992-），女，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)，E-mail:948598277@qq.com。

趙華芳（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)，E-mail:240583698@qq.com。

2015-08-10

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2010EM011）；研究生創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目（YCX2014054）。

Project Supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation of China（ZR2010EM011）；Graduate Student Innovation Project（YCX2014054）