MMC-STATCOM的2N+1單載波調(diào)制方法

徐千鳴，羅 安，何志興，王 皓，岳雨霏

（國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，湖南大學，長沙410082）

MMC-STATCOM的2N+1單載波調(diào)制方法

徐千鳴，羅 安，何志興，王 皓，岳雨霏

（國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，湖南大學，長沙410082）

合理的多電平調(diào)制策略及模塊電容電壓平衡控制是保證MMC-STATCOM安全可靠運行的基礎(chǔ)。針對MMC-STATCOM無直流側(cè)功率傳輸?shù)奶攸c，提出一種適用于MMC-STATCOM的單載波調(diào)制策略，其特征在于上、下橋臂調(diào)制波與同一載波進行比較，得到移相的上、下橋臂的模塊投入數(shù)，實現(xiàn)2N+1電平的輸出電壓，從而提高補償電流波形質(zhì)量。同時，為保證變換器的穩(wěn)定運行，提出一種基于功率模塊開關(guān)狀態(tài)反饋的電容電壓平衡控制方法，無需模塊電容電壓排序，而且避免繁復的功率模塊開關(guān)狀態(tài)判斷，有效降低控制系統(tǒng)復雜度。最后通過實驗驗證了所提調(diào)制策略的有效性。

模塊化多電平變換器；PWM調(diào)制；電容電壓平衡；電壓排序；無功補償

引言

近年來，模塊化多電平變換器MMC（modular multilevel converter）在科學研究和工程應用中取得了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)功率變換器相比，MMC在標準化生產(chǎn)、模塊化擴展、冗余備用、故障穿越、輸出電壓質(zhì)量、外加濾波裝置、變壓器需求等方面具有獨到的優(yōu)勢［1-3］。

得益于MMC優(yōu)良的特性，MMC在輕型直流輸電方面的應用取得了長足進步［4-5］，其在無功補償器［6］等方面的局限也逐漸被突破?，F(xiàn)有文獻對MMC-STATCOM的研究集中在系統(tǒng)建模、功率控制、環(huán)流抑制、電壓平衡等問題上。如何保持模塊電容的穩(wěn)定，不僅影響變換器輸出電壓、電流的質(zhì)量，還關(guān)系到變換器的安全可靠運行。模塊電容電壓的平衡與所采用的調(diào)制策略緊密相關(guān)，當前文獻對模塊電容電壓的平衡控制可分為兩類：一是基于模塊電容電壓反饋的開關(guān)脈沖分配方法，適用于最近電平階梯波調(diào)制NLM （nearest level modulation）［7-8］、特定消諧階梯波調(diào)制SHE（selective harmonic elimination）［9-10］、空間矢量調(diào)制SVM（space vector modulation）［11］等；二是基于多重載波的電容電壓附加平衡控制，適用于載波移相調(diào)制CPS-PWM（carrier phase shift PWM）［12-14］、載波層疊調(diào)制 CPD-PWM（carrier phase disposition PWM）［15］等，從硬件實現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理的角度看，二者各有優(yōu)劣。

根據(jù)MMC輸出電平數(shù)的不同，各種調(diào)制策略可詳細劃分為N+1調(diào)制和2N+1調(diào)制，N+1調(diào)制又被稱為統(tǒng)一調(diào)制，意味著在任意時刻上、下橋臂投入模塊數(shù)之和恒定為N，其側(cè)重于直流母線電壓的恒定與減小相間環(huán)流；而2N+1調(diào)制的意義在于增加輸出電平數(shù)與提高輸出電壓、電流質(zhì)量［16-18］，但會在公共直流母線上產(chǎn)生（N-1）UC、NUC以及（N+ 1）UC三種電平的波動，該電壓波動對沒有引出直流側(cè)的MMC-STATCOM影響較小。

針對MMC-STATCOM的結(jié)構(gòu)特點，本文提出一種三相上、下橋臂載波共用的調(diào)制策略，實現(xiàn)2N+1電平輸出。同時提出一種基于開關(guān)狀態(tài)反饋的模塊電容電壓平衡控制方法，無需模塊電容電壓排序，而且避免繁復的功率模塊開關(guān)狀態(tài)判斷，從而降低控制系統(tǒng)復雜度。最后通過實驗驗證了所提調(diào)制策略及電壓平衡控制的有效性。

1 MMC-STATCOM基本原理

如圖1所示，MMC-STATCOM包含三相6個橋臂，每相的上、下橋臂相對于直流母線為串聯(lián)連接，而相對于交流電網(wǎng)是并聯(lián)連接。每個橋臂均由數(shù)目相同或者相近的子模塊與一個橋臂電抗串聯(lián)組成，子模塊結(jié)構(gòu)為半H橋。MMC-STATCOM也可看成一種雙星型半橋結(jié)構(gòu)，與用在柔性直流輸電的MMC相比，MMC-STATCOM沒有引出直流側(cè)，其三相交流與三相環(huán)流均可看作三相三線制系統(tǒng)，無零序環(huán)流通路。

圖1 MMC-STATCOM三相結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic configuration of three-phase MMC-STATCOM

建立電路KVL與KCL方程為

式中：Ud與uout分別為公共直流母線電壓與輸出電壓；uup和udn分別為上、下橋臂的實時投入電壓；iup和idn分別為上、下橋臂電流；icir與iout分別為環(huán)流與輸出電流；R和L分別為橋臂等效電阻和橋臂電感。

取上、下橋臂電壓uup、udn的差模部分uinv與共模部分ucom，定義為

式（4）包含MMC系統(tǒng)的交流接口微分方程與直流接口微分方程，描述了MMC系統(tǒng)的外部特性與內(nèi)部特性，故研究MMC系統(tǒng)外部輸入輸出，內(nèi)部環(huán)流時能解耦分析，為變換器提供更高的控制自由度。

2 MMC-STATCOM控制策略

圖2為MMC-STATCOM整體控制策略，在每個控制周期內(nèi)，必須完成變換器級控制和橋臂級控制過程。變換器級控制為橋臂級控制提供上、下橋臂各自的輸出電壓參考信號uupref、udnref，橋臂級控制最終確定橋臂子模塊功率器件的開關(guān)狀態(tài)。

圖2 MMC-STATCOM整體控制策略Fig.2 General control structure of MMC-STATCOM

MMC-STATCOM由于直流側(cè)母線沒有引出，交直流側(cè)不存在有功功率交換。僅是變換器內(nèi)部損耗需要交流側(cè)提供很小的有功電流以維持模塊電容電壓穩(wěn)定。因此，變換器級控制功率控制過程主要實現(xiàn)交流側(cè)輸出電壓、電流控制，實現(xiàn)指定無功功率輸出和系統(tǒng)總能量的平衡。此外，還要考慮環(huán)流抑制、上、下橋臂之間的電壓平衡控制，最終得到上、下橋臂輸出電壓參考值uupref、udnref。

由式（5）知，MMC上、下橋臂電壓的變化由調(diào)制產(chǎn)生。因此，橋臂級控制主要實現(xiàn)相應的調(diào)制策略，確定上、下橋臂的投入模塊數(shù)，最后在保證電容電壓平衡的前提下選擇適當?shù)哪K進行投切操作，完成變換器的多電平電壓輸出，實現(xiàn)變換器與外部的有功功率和無功功率交換。

2.1 單載波調(diào)制

MMC用于直流輸電場合時，直流母線電壓要求穩(wěn)定，故常采用N+1調(diào)制，使得直流母線電壓波動較小，同時相間環(huán)流也較小。當MMC應用于無功補償時，由于無需引出直流母線，且考慮到交流側(cè)輸出電壓、電流質(zhì)量是評估無功補償性能的重要指標之一。在橋臂模塊數(shù)N有限的前提下，為盡可能提高MMC-STATCOM輸出電流質(zhì)量，可采用2N+1電平輸出的單載波調(diào)制策略，以降低輸出電壓、電流畸變率和橋臂電抗的要求。2N+1電平調(diào)制原理如圖3所示，橫、縱坐標分別表示上、下橋臂投入模塊數(shù)?？梢钥闯?，公共直流母線上會產(chǎn)生（N-1）UC、NUC以及（N+1）UC3種電平的波動，該波動對沒有引出直流母線的STATCOM影響較小。

圖3 2N+1電平調(diào)制原理Fig.3 Illustration of 2N+1 modulation

單載波調(diào)制框圖如圖4所示，變換器級控制采用總電壓外環(huán)與輸出電流無差拍內(nèi)環(huán)控制得到輸出電壓參考uref。不考慮上、下橋臂能量平衡與環(huán)流抑制的情況下，上、下橋臂電壓參考可由uref乘以±1的系數(shù)獲得。所獲上、下橋臂電壓參考值除以模塊電容電壓參考值UC后，再加上橋臂模塊數(shù)的一半0.5N，即可得出上、下橋臂的模塊投入系數(shù)nup、ndn。將實時投入系數(shù)送入向下取整函數(shù)floor（x）得到整數(shù)floor（nup）、floor（ndn）以及其所余小數(shù)部分dec（nup）、dec（ndn），小數(shù)部分與同一載波carrier比較得到移相的PWM波，以抵消上、下橋臂輸出電壓的載波頻率fc及其邊帶次諧波。上述整數(shù)floor（nup）、floor（ndn）與此PWM疊加后即可獲得上、下橋臂的實時投入模塊數(shù)Hup、Hdn分別為

圖4 單載波調(diào)制框圖Fig.4 Block diagram of single-carrier modulation

2.2 投入模塊選擇

為了保證子模塊電容電壓動態(tài)穩(wěn)定，需要合理分配模塊的開關(guān)動作。開關(guān)狀態(tài)分配的原則是在保證子模塊電壓穩(wěn)定的前提下盡可能減小模塊投切頻率，降低器件損耗。開關(guān)切換頻率與系統(tǒng)控制周期和調(diào)制策略輸出的電平變化密切相關(guān)，常用的開關(guān)動作分配策略有2種形式：（1）以系統(tǒng)的控制周期Ts為時間基準，即每隔Ts時間進行一次子模塊電容電壓排序，根據(jù)模塊電容電壓大小排序結(jié)果，更新一次功率模塊開關(guān)狀態(tài)；（2）以橋臂投入模塊指令的變化ΔHup,dn為基準，即每次模塊指令Hup,dn出現(xiàn)階躍時，根據(jù)模塊電容電壓大小序列，對功率模塊開關(guān)狀態(tài)重新分配。

上述方法均需要對當前模塊電容電壓大小與模塊開關(guān)狀態(tài)進行反復判斷，以尋找適用于電平變化ΔHup,dn的模塊，在一定程度上增加了程序編寫的復雜性。為此，本文提出一種基于功率模塊開關(guān)狀態(tài)反饋的子模塊電容電壓平衡控制方法，其特點在于引入橋臂電流充放電方向和各模塊上一周期的開關(guān)狀態(tài)，以重構(gòu)模塊電容電壓。模塊電容電壓平衡控制框圖如圖5所示。

圖5 模塊電容電壓平衡控制框圖Fig.5 Block diagram of SM capacitonce voltage balancing control

通過子模塊電容電壓實際值uCdnj、橋臂電流方向sgn（idn）、子模塊上一周期開關(guān)狀態(tài)Sdnj和反饋系數(shù)RV計算得到重構(gòu)的子模塊電容電壓u′Cdnj，即

橋臂電流方向sgn（idn）和開關(guān)狀態(tài)Sdnj的加入，避免了控制程序?qū)﹄娖阶兓?、橋臂電流方向及子模塊開關(guān)狀態(tài)的繁復判斷。反饋系數(shù)RV的取值滿足RV＞UC，使得重構(gòu)的模塊電容電壓相互之間偏離較大，有利于模塊電容電壓最值的查找［19］。當開關(guān)狀態(tài)切換時，無需進行電壓排序，只要直接找出重構(gòu)電壓最大值或最小值即可。

3 實驗驗證

為驗證控制與調(diào)制策略效果，搭建了1臺兩相8模塊MMC樣機。系統(tǒng)運行設(shè)定為并網(wǎng)滯后無功發(fā)生工況，指令電流幅值為40 A，模塊電容電壓設(shè)定為200 V，直流側(cè)電壓為400 V，電壓、電流方向與圖1一致?？刂葡到y(tǒng)采用DSP+FPGA架構(gòu)，控制頻率為10 kHz，電壓參考指令由模塊總電壓外環(huán)和無差拍電流內(nèi)環(huán)得到，單載波頻率為5 kHz，開關(guān)狀態(tài)反饋系數(shù)RV取220，其余參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

圖6為MMC-STATCOM穩(wěn)態(tài)運行過程中上、下橋臂輸出電壓及相單元輸出電壓波形。由圖可以看出，橋臂輸出電壓為3電平，峰峰值在400 V左右。上、下橋臂輸出電壓方向相反，其頻譜主要包含直流分量、50 Hz交流分量以及5 kHz及其倍數(shù)高次諧波分量。相單元輸出電壓峰峰值也為400 V，但為5電平。

圖6 橋臂輸出電壓波形與頻譜Fig.6 Experimental waveforms of output voltages

圖7（a）為輸出無功電流波形及其頻譜，其含有少量的3次諧波成分，電流總體波形質(zhì)量較好，畸變率為2.4%。圖7（b）為穩(wěn)定運行過程橋臂電流波形，可以看出上、下橋臂電流相位相差約180°。

圖7 輸出無功電流與橋臂電流波形Fig.7 Experimental waveforms of output reactive current and arm currents

圖8為上、下橋臂第1個模塊電容電壓波形，模塊電容電壓保持在200 V左右，存在約9 V的上下波動，說明了模塊電容電壓平衡控制的有效性。

4 結(jié)語

本文研究與MMC-STATCOM雙閉環(huán)控制相結(jié)合的單載波調(diào)制方法，其適用于無直流側(cè)功率傳輸?shù)膱龊稀楸ＷC變換器的穩(wěn)定運行，提出一種簡化的模塊電容電壓平衡控制方法，能避免繁瑣的電壓排序及判斷過程，最后通過實驗驗證所提控制及調(diào)制策略的有效。

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2N+1 Single Carrier Modulation Method for MMC-STATCOM

XU Qianming,LUO An,HE Zhixing,WANG Hao,YUE Yufei
（National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center, Hunan University,Changsha 410082,China）

A reasonable multilevel modulation strategy and its corresponding module capacitor voltage balancing control method are the basis of ensuring the safe and reliable operation of MMC-STATCOM.A single carrier modulation strategy for MMC-STATCOM characterized by none DC power transmission is proposed.It is characterized in that the upper and lower bridge arms are compared with the same carrier,and the inserting numbers of upper and lower arm are obtained,while the output voltage with 2N+1 levels is realized.At the same time,a new method for voltage balancing is proposed,which is based on the switching state feedback of the power module.Module capacitor voltage sorting is not necessary,which simplifies the control system.Finally,the proposed modulation method is verified by experimental results.

modular multilevel converter;pulse width modulation（PWM）;capacitor voltage balancing;voltage sorting; reactive power compensation

徐千鳴

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.156

：TM 76

：A

徐千鳴（1989-），男，通信作者，博士研究生，主要從事輕型直流輸電與電能質(zhì)量控制方面的研究，E-mail：hnuxqm @foxmail.com。

羅安（1957-），男，教授，博士生導師，主要從事電能變換與控制、電能質(zhì)量控制技術(shù)與裝備研制等方面的研究，E-mail：an_luo@126.com。

何志興（1989-），男，博士研究生，主要從事FACTS技術(shù)研究和電力電子裝置的研制，E-mail：506396463@qq.com。

王皓（1990-），男，碩士生，主要研究電能質(zhì)量治理和新能源發(fā)電，E-mail：498264193@qq.com。

2015-08-27

國家自然科學基金面上項目（51477045）

Project Supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China（51477045）