模塊化多電平換流器電容電壓均衡控制策略研究

馬 尚，王 毅

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北保定 071003）

模塊化多電平換流器電容電壓均衡控制策略研究

馬 尚，王 毅

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北保定 071003）

模塊化多電平換流器（MMC）中各個(gè)子模塊的電容電壓均衡問(wèn)題亟待解決。在分析MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合載波移相調(diào)制方法，提出了一種基于PI控制器的電壓均衡控制策略。該策略包括平衡電容電壓和抑制橋臂環(huán)流兩部分，通過(guò)調(diào)整調(diào)制信號(hào)的波形，進(jìn)而改變各個(gè)電容的充放電時(shí)間，使電容電壓保持一致并跟蹤其給定值。該控制策略無(wú)需對(duì)所測(cè)得的電容電壓進(jìn)行排序，減少了IGBT的開關(guān)頻率，大大降低了系統(tǒng)損耗。最后，在Matlab/SimulinK仿真平臺(tái)上對(duì)MMC系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明控制策略正確有效。

MMC；開關(guān)頻率；載波移相調(diào)制；電容電壓均衡

0　引 言

隨著電力電子器件容量的不斷增加和國(guó)家智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，將電力電子器件應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合已經(jīng)成為其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。電壓源型高壓直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC）控制靈活［12］，廣泛應(yīng)用于海上直流輸電。目前已投運(yùn)的VSC-HVDC工程多為兩電平或者三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［34］。為了達(dá)到所需的電壓等級(jí)，通常需要直接將多個(gè)IGBT串聯(lián)，由此會(huì)帶來(lái)開關(guān)損耗大，靜、動(dòng)態(tài)均壓困難，電磁干擾以及開關(guān)一致性要求高等一系列問(wèn)題［56］。為解決上述問(wèn)題，學(xué)者提出了一種新型的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）。

MMC采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整串聯(lián)子模塊的數(shù)目，可以實(shí)現(xiàn)電壓及功率的靈活變化，減少電磁干擾和輸出電壓的諧波含量，使輸出電壓波形非常平滑且接近正弦波［78］，從而可以省去大容量的交流濾波器，有效節(jié)省成本。在器件的開關(guān)頻率降低的同時(shí)，開關(guān)損耗也相應(yīng)減少，而等效的開關(guān)頻率得到大幅提升。但MMC將能量分散存儲(chǔ)在橋臂的各個(gè)子模塊電容中，因此在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓的均衡控制是急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

針對(duì)MMC的均壓?jiǎn)栴}，目前多數(shù)文獻(xiàn)采用基于排序的電容電壓均衡算法［910］。該算法會(huì)導(dǎo)致MMC在各子模塊間電壓偏差并不大的情況下，觸發(fā)脈沖也必須重新作出調(diào)整，導(dǎo)致IGBT的反復(fù)投切，增大器件的開關(guān)頻率。文獻(xiàn)［4］得到了電容電壓參數(shù)設(shè)計(jì)的表達(dá)式，且提出了一種引入附加開關(guān)點(diǎn)的電容電壓平衡控制策略，但并沒(méi)有提出相應(yīng)的MMC調(diào)制方法。文獻(xiàn)［8，11］提出了無(wú)需排序的電容電壓均衡控制策略，但是對(duì)MMC的調(diào)制方法同樣沒(méi)有做詳細(xì)的描述。文獻(xiàn)［12］得出了MMC電容電壓均衡控制策略，但其MMC輸出電平數(shù)為n+1，電平數(shù)較少。

本文介紹MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，結(jié)合載波移相調(diào)制（carrier phase-shifting SPWM，CPS-SPWM）方法的基本原則，提出了一種在電壓參考信號(hào)的基礎(chǔ)上疊加由控制環(huán)節(jié)得出的電壓平衡控制量的電容電壓均衡控制策略。通過(guò)合理調(diào)整電容的充放電時(shí)間，使各子模塊電容電壓的偏差處于可以接受的范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)橋臂環(huán)流也有明顯的限制作用。MMC輸出電平數(shù)目為2n+1，有效提高子模塊的利用率。

1　MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

MMC的主電路結(jié)構(gòu)和單一子模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相MMC由6個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊（sub module，SM）與1個(gè)電抗器L相互串聯(lián)構(gòu)成。上、下兩個(gè)橋臂構(gòu)成1個(gè)相單元。每個(gè)子模塊由兩個(gè)反并聯(lián)二極管的IGBT串聯(lián)后再與直流電容并聯(lián)構(gòu)成。MMC采用模塊化設(shè)計(jì)，各子模塊的電氣參數(shù)和各橋臂電抗值都是相同的。本文所涉及的公式與控制框圖，如不做特殊說(shuō)明均以a相為例。

圖1　MMC主電路結(jié)構(gòu)

如圖2所示：UC為子模塊電容電壓；iSM為該子模塊所在橋臂上流過(guò)的電流；USM為子模塊輸出電壓。當(dāng)電流iSM流過(guò)子模塊上側(cè)的T1或者D1時(shí)，此時(shí)子模塊電容在電流iSM的作用下充電或放電，稱為“投入”狀態(tài)，USM=UC，且規(guī)定T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷；反之，當(dāng)電流iSM流過(guò)子模塊下側(cè)的T2或D2時(shí)，此時(shí)子模塊電容電壓保持不變，稱為“切除”狀態(tài)，USM=0，T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通。正常運(yùn)行狀態(tài)下T1、T2互補(bǔ)開通。工作狀態(tài)如表1。

圖2　子模塊結(jié)構(gòu)

表1　子模塊工作狀態(tài)表

由于橋臂上、下兩側(cè)及三相之間具有對(duì)稱性，a相輸出電流在上、下橋臂平均分配，取1/2直流側(cè)電壓處為中性點(diǎn)o，如圖3。直流側(cè)P點(diǎn)和N點(diǎn)相對(duì)了中性點(diǎn)o的電壓分別為Udc/2和-Udc/2，則a相上、下橋臂的電壓和電流分別為

式中：Udc為直流側(cè)電壓；uao為a相輸出電壓；ia為a相輸出電流；iza為a相環(huán)流。

2　MMC的調(diào)制方法

載波移相調(diào)制策略的基本原理是用正弦參考信號(hào)與多組相位相互錯(cuò)開一定角度的三角載波比較，生成各子模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了保證MMC的輸出電平數(shù)目為2n+1，應(yīng)使上、下橋臂的正弦調(diào)制波相互反向，而對(duì)應(yīng)位置子模塊的三角載波相位相同。

圖3　MMC相單元結(jié)構(gòu)

分析圖6所示的單個(gè)子模塊輸出電壓與a相輸出電壓，容易得出MMC系統(tǒng)輸出側(cè)的等效開關(guān)頻率為子模塊開關(guān)頻率的10倍。因此，載波移相調(diào)制方法可以大幅度提高系統(tǒng)等效開關(guān)頻率。

圖4　上橋臂調(diào)制波、載波及其輸出電壓

圖5　下橋臂調(diào)制波、載波及其輸出電壓

圖6　單個(gè)子模塊電壓及單相MMC輸出電壓

其他兩相的調(diào)制方法類似，只需將正弦調(diào)制信號(hào)移動(dòng)120°，三角載波保持不變。

3　MMC的電容電壓均衡控制策略

由于各個(gè)電容充放電時(shí)間不一致會(huì)使電容電壓產(chǎn)生較大波動(dòng)，單獨(dú)采用載波移相調(diào)制策略不能保證MMC的平穩(wěn)運(yùn)行。而電容電壓不一致會(huì)造成上、下橋臂子模塊的輸出電壓之和與直流側(cè)電壓不完全相等，產(chǎn)生一個(gè)流過(guò)上、下橋臂且頻率2倍于基波頻率的環(huán)流［10］。該環(huán)流的存在會(huì)增大橋臂電流的峰值，增加器件的額定容量和系統(tǒng)的損耗，同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步加劇電容電壓的不平衡。因此有必要設(shè)計(jì)電容電壓均衡控制環(huán)節(jié)來(lái)穩(wěn)定電容電壓與限制環(huán)流。

電容電壓均衡控制環(huán)節(jié)可以分成兩部分：平衡電容電壓和抑制橋臂環(huán)流。

3.1平衡電容電壓

圖7　平衡電容電壓控制框圖

3.2抑制橋臂環(huán)流

由前文論述可知，環(huán)流的存在會(huì)增大橋臂電流的峰值，增加器件的額定容量和系統(tǒng)的損耗。因此本文通過(guò)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的協(xié)同作用，有效地將環(huán)流限制在可以接受的范圍內(nèi)。其中，

具體控制如圖8。

由公式（2）得a相環(huán)流表達(dá)式為

圖8　抑制橋臂環(huán)流控制框圖

當(dāng)只考慮環(huán)流影響時(shí)，由圖3可得a相回路基爾霍夫電壓方程為

由公式（5）得，環(huán)流iza與電容電壓uCja間為一階環(huán)節(jié)［13］，可以采用調(diào)節(jié)器PI1得到環(huán)流參考值：

下橋臂調(diào)制波：

4　仿真分析

為了驗(yàn)證本文的電容電壓均衡控制策略的有效性，在Matlab/SimulinK仿真環(huán)境中搭建11電平MMC控制系統(tǒng)，直流電壓由整流器得到，上、下橋臂各5個(gè)子模塊。平衡電容電壓控制環(huán)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)系數(shù)k為0.5，抑制橋臂環(huán)流環(huán)節(jié)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別為0.5、100和0.5、150。

圖9　系統(tǒng)仿真框圖

具體參數(shù)如表2。

表2　MMC系統(tǒng)仿真參數(shù)表

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖10～14所示。

圖11　MMC輸出電流

圖12　MMC橋臂環(huán)流

圖13　電容電壓平均值

圖14　每相10個(gè)電容電壓瞬時(shí)值

圖10、圖11為系統(tǒng)輸出電壓和輸出電流波形。容易看出輸出電壓由11個(gè)電平組成，電壓峰值為250V，波形十分整齊規(guī)則接近正弦波。系統(tǒng)輸出電流波形是一條平滑正弦的曲線，電流峰值穩(wěn)定在11.5A。

圖12為MMC的橋臂環(huán)流波形。從圖中可以看出，環(huán)流2倍于基波頻率，而且穩(wěn)定在（-3A，6A）內(nèi)。雖然選擇合適的橋臂電感對(duì)環(huán)流有一定的限制作用，但是本文的電容電壓均衡控制策略對(duì)橋臂環(huán)流的限制作用更為顯著。

圖13為上、下橋臂10個(gè)電容電壓的平均值波形，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，其值穩(wěn)定在100V左右，上、下波動(dòng)小于2.5V。圖14為10個(gè)電容電壓的瞬時(shí)值波形。同樣，每個(gè)電容電壓的瞬時(shí)值都穩(wěn)定在100V左右，上下波動(dòng)小于6V，且上、下橋臂電容電壓具有良好的一致性。由此可以證明本文中電容電壓均衡控制策略正確有效，具有理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5　結(jié) 論

本文結(jié)合載波移相調(diào)制方法的基本原理，提出一種無(wú)需排序的電容電壓均衡控制策略。通過(guò)在電壓參考信號(hào)的基礎(chǔ)上疊加由控制環(huán)節(jié)得出的電壓平衡控制量，調(diào)節(jié)各電容的充放電時(shí)間，使各子模塊電容電壓保持一致并跟蹤有效值，同時(shí)對(duì)橋臂環(huán)流也起到明顯的限制作用。本控制策略具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、能有效提高系統(tǒng)等效開關(guān)頻率等顯著優(yōu)勢(shì)；同時(shí)每個(gè)子模塊的開關(guān)頻率相同且較低，又無(wú)需排序，而等效的開關(guān)頻率很高，這就大大降低了IGBT的開關(guān)次數(shù)及開關(guān)損耗。

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（責(zé)任編輯:楊秋霞）

Research on Strategy for Capacitor Voltage Balancing of Modular Multilevel Converter

MA Shang，WANG Ui
（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources（North China Electric Power University），Baoding 071003，China）

In modular multilevel converter，the balancing of capacitor voltage in each modular is urgent to be solved.On the basis of analyzing the topology and operation principle of MMC，a strategy based on PI controllers for capacitor voltage balancing is proposed in this paper by using carrier phase-shifting SPWM.The aim of control strategy is to balance capacitor voltage and to control loop bridge-arm current.By adjusting the waveform of the modulation signal，the charge/discharge time of each capacitor is modified in order to make capacitor voltage keep consistent and track the given value.No need of sequencing measured capacitor voltage，the control strategy decrease switching frequency of IGBT and system loss.In the end，the MMCsystem is verified on Matlab/Simulink simulation platform，and the results show that the control strategy is correct and effective. Keywords：modular multilevel converter（MMC）；switching frequency；carrier phase-shifting SPWM；capacitor voltage balancing

1007-2322（2015）02-0050-06

A

TM46

2014-03-27

馬 尚（1988—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，E-mail：ms1062094@126.com；

王 毅（1977—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。