MMC子模塊電容電壓改進控制方法的研究

馬文忠, 孫迎新, 武 琳, 魏 亮, 趙華芳

(1. 中國石油大學(華東)， 山東 青島 266580；2. 國網電力科學研究院北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司， 北京 100192)

MMC子模塊電容電壓改進控制方法的研究

馬文忠1, 孫迎新1, 武 琳2, 魏 亮1, 趙華芳1

(1. 中國石油大學(華東)， 山東 青島 266580；2. 國網電力科學研究院北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司， 北京 100192)

介紹了模塊化多電平換流器電容電壓測量及均壓原理，指出傳統(tǒng)的電容電壓控制下，當橋臂子模塊數目過于龐大時，電壓傳輸信號較多，增加了控制器設計難度。針對這一問題，提出了一種改進的電容電壓測量方法，該方法中參與控制的電壓信號數量僅為傳統(tǒng)測量方法的一半，有利于降低控制系統(tǒng)的設計難度，減輕控制器工作負擔。首先詳細介紹了電容電壓改進控制方法下的模塊拓撲結構和電壓測量原理，然后在此基礎上，設計了改進電容電壓排序算法，減少傳統(tǒng)排序過程中不必要的運算量，在數據處理過程中進一步優(yōu)化控制器運算，保證換流器穩(wěn)定運行。最后搭建了仿真模型，驗證所提策略的正確性和有效性。

模塊化多電平換流器； 改進電壓測量； 電壓傳感器； 改進電容電壓均衡策略

1 引言

隨著現代電力電子技術的快速發(fā)展，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)應運而生，并受到社會的廣泛關注。模塊化多電平變換流器(MMC)采用模塊化的拓撲結構，具有結構簡單、易于擴展、低諧波含量、低損耗等一系列的優(yōu)點，在可再生能源并網、城市電網供電和異步交流電網互聯(lián)等場合有著巨大的應用潛力[1-4]。

目前，國內外對MMC已開展了廣泛的研究，其中主要集中在數學模型的建立[5,6]，調制策略的優(yōu)化[7]以及子模塊故障[8-10]等問題上。文獻[11]提出的電壓均衡控制方法基于對子模塊電容電壓排序，首先將各個模塊電容電壓進行排序，再根據橋臂電流的方向選擇合適的模塊投入或者切除，從而達到平衡子模塊電容電壓的目的。但隨著直流電壓和傳輸功率不斷增加，各個橋臂級聯(lián)模塊數量大幅增加，相應的參與控制的電壓信號數量也在增加，大量的實時數據通過轉化電路被傳入到控制器，這樣會增加控制系統(tǒng)的設計難度，影響控制器響應速度，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。對此，文獻[12]在傳統(tǒng)電容電壓排序的基礎上，提出了引入保持因子的電容電壓優(yōu)化平衡控制，將控制的重點放在電壓越限的模塊上，對未越限的模塊在一定范圍內保持原有投切狀態(tài)，從而達到減小控制器運算量和器件開關頻率的目的。文獻[13] 提出了一種新型的適用于采用載波移相正弦脈寬調制技術的MMC 電容電壓優(yōu)化平衡控制算法，有效保持了電容電壓的動態(tài)平衡，但當子模塊數量過多時，該方法控制較為復雜，對系統(tǒng)硬件電路提出了更高的要求。文獻[14]提出了一種采用質因子分解法的電容電壓平衡算法，降低了排序運算量，提高了計算效率。然而以上方法都沒有涉及到通過減少控制器輸入電壓信號數量來提高系統(tǒng)工作效率。

針對傳統(tǒng)電壓控制處理數據量過大的問題，本文首先提出了一種改進的電容電壓測量方法，利用雙子模塊出口端電壓傳感器和各個子模塊導通信號，完成電容電壓均衡控制。該方法中系統(tǒng)參與的電壓數據量僅為傳統(tǒng)電壓控制方法的一半，有利于降低控制系統(tǒng)的復雜程度。在此條件下，本文設計了與新測量方法相適應的電容電壓均衡控制，保持換流器的穩(wěn)定運行。最后，Simulink中的仿真結果驗證了該算法的有效性。

2 MMC的工作原理

2002年，德國學者R．Marquart和A．Lesnicar首次提出MMC的結構概念，奠定了現代可控電壓源型換流器的基礎。MMC的結構框圖如圖1所示。每相橋臂分為上橋臂和下橋臂，每個橋臂由相同數量的子模塊(SM)和限流電感Ls串聯(lián)構成。目前國內外最新投入的柔性直流輸電工程換流器均采用這種MMC結構。

圖1 MMC的結構框圖Fig.1 Structure diagram of MMC

子模塊電容電壓控制是換流器穩(wěn)定運行的關鍵，主要包括電容電壓實時測量和電容電壓均衡兩個環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)電容電壓測量方法[15]利用并聯(lián)在每個子模塊電容兩端的電壓傳感器來獲取實時電壓數據，這種方法的弊端是：對于電平數較高的換流器，需要傳輸的電壓數據量增加，大量的轉化電路和信號傳輸將對換流器控制系統(tǒng)的硬件設計帶來巨大挑戰(zhàn)。與之相適應的傳統(tǒng)電壓均衡控制主要過程是對每個橋臂的子模塊電容電壓和橋臂電流進行實時檢測，如圖2所示。當橋臂電流方向為正時，對子模塊電容電壓進行升序排列，當電流方向為負，則對電容電壓進行降序排列，依據子模塊投入個數，選擇合適模塊進行投切。本文把這種傳統(tǒng)均壓控制記作T-sort(電容電壓，投入個數)。采用這種電壓平衡方法可以有效抑制電容電壓波動，從而實現直流電壓穩(wěn)定，然而這種控制方法也存在一定的弊端，每個周期都需要對全部電容電壓進行排序，增加了控制器不必要的運算量，降低了控制器工作效率。

圖2 傳統(tǒng)電容電壓排序流程圖Fig.2 Flow chart of traditional voltage balance control

3 改進電容電壓測量方法

當橋臂子模塊數量過多時，傳統(tǒng)的電容電壓控制策略不利于控制系統(tǒng)的設計。因此本文設計了一種改進的電容電壓控制方法，從源頭上減少系統(tǒng)數據傳輸量，降低系統(tǒng)的設計難度。將圖1中兩個半橋子模塊級聯(lián)在一起，構成雙子模塊。穩(wěn)態(tài)運行，每個雙子模塊可以產生三種電平(0、UC1或者UC2、UC1+UC2)，同時在AB端口配置一個電壓傳感器，依據雙子模塊上下兩個半橋的導通信號(S1和S2)和AB端口電壓傳感器數值Uout，推導得到UC1和UC1+UC2。改進電容電壓測量拓撲如圖3所示。

圖3 改進電容電壓測量拓撲Fig.3 Structure diagram of improved capacitor voltage measurement

由圖3可知，當S1=S2=0時，橋臂電流未流過電容，雙子模塊中的電容電壓不發(fā)生變化，當S1=1或者S2=1時，雙子模塊電容電壓UC1與UC1+UC2發(fā)生變化。根據電容電壓的這一特征，可猜想在上一周期內未投入的子模塊因電容電壓沒有發(fā)生變化，下個周期開始階段無需對其電壓進行測量采集，控制器可以沿用上個周期結束時刻該子模塊電容電壓數值。設(UC1)k-1為上個周期結束時控制器接收的電容C1電壓，(UC1+UC2)k-1為上個周期結束時控制器接收到的UC1+UC2。根據分析可得：

當S1=S2=0時

(1)

當S1=1且S2=0時

(2)

當S1=S2=1時

(3)

此處需要注意的是，當雙子模塊被完全投入時，Uout只能更新控制器中(UC1+UC2)k-1，然而這時候UC1也在變化，不再等于(UC1)k-1，控制器中的(UC1)k-1也需要更新，來保證獲得準確的實時電壓值。因此假設UC1與UC2在穩(wěn)態(tài)時，電壓保持平衡，UC1近似等于UC2，即UC1與UC2變化量相同。將式(1)～式(3)整理得到表1。

表1 S1、S2、UC1、UC1+UC2和Uout關系表Tab.1 Relationship between S1,S2,UC1,UC1+UC2 and Uout

由圖3可知，通過AB端口電壓傳感器采集的電容電壓來實現模塊電壓的平衡控制，可以使傳統(tǒng)方法下n個模塊電容電壓信號變?yōu)楝F在的n/2個，有利于簡化控制系統(tǒng)設計。

4 電容電壓均衡策略

由表1可以看出，改進后的電容電壓測量方法將測量的重點放在UC1和UC1+UC2而不是原來的UC1和UC2上，即雙子模塊的投切機制發(fā)生了變化，所以傳統(tǒng)的電容電壓排序不再適用于改進后的電容電壓測量方法。本文基于傳統(tǒng)的排序算法，提出了一種改進電容電壓均衡策略。該方法依據需要投入半橋子模塊個數N的不同，分別對電容電壓UC1和UC1+UC2進行分類排序，然后選擇合適的雙子模塊或者雙子模塊中的C1電容進行投切，具體操作流程如圖4所示。

圖4 改進電容電壓排序流程圖Fig.4 Flow chart of improved voltage balance control

假設每個橋臂包含的電容個數為n，計算得到該橋臂需要投入電容個數為N，第一組雙子模塊上半橋子模塊電壓為UC11，第一組雙子模塊電壓為UC11+UC12。則首先將各個雙子模塊初始電容電壓UC*1、UC*1+UC*2和N傳送到控制器*代表1，2，…，n/2，當計算投入半橋子模塊個數小于n/2時，僅對該橋臂子模塊電容電壓UC*1進行傳統(tǒng)排序，選擇合適半橋子模塊進行投入。當計算投入半橋子模塊個數大于等于n/2時，優(yōu)先對雙子模塊總電容電壓UC*1+UC*2進行傳統(tǒng)排序，選擇合適的雙子模塊同時投入上下兩個子模塊，其次，對N進行奇偶判斷，如果N為偶數，則算法到此為止，該橋臂投入模塊均為雙子模塊，如果N為奇數，則對剩余未投入的雙子模塊中的UC*1進行一次排序，選擇電壓最小或者最大半橋子模塊投入。

依據以上分析，改進排序算法會根據投入子模塊個數N的大小進行分類排序，且每次排序數量不會超過n/2，這將有效減少橋臂電容電壓排序次數。

以南澳三端MMC-HVDC輸電工程為例說明。南方電網在2013年投運的南澳三端高壓直流輸電工程中，直流電壓為±160kV，橋臂子模塊個數為200個[16]。分別應用傳統(tǒng)電壓控制和改進電壓控制方法對該工程橋臂電容電壓進行排序，單橋臂電壓信號數量和控制器排序次數如表2所示。

表2 兩種電壓控制方法對比Tab.2 Comparison of two voltage control methods

由表2可知，改進電壓測量方法下參與控制的模塊電壓信號數量僅為傳統(tǒng)測量方法的一半，有利于降低控制系統(tǒng)的復雜程度。在此條件下，改進電容電壓排序算法，可顯著減少控制器計算量，在數據處理過程中進一步優(yōu)化控制器運算，大大提高了控制器的工作效率，保證換流器穩(wěn)定運行。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下分別搭建11電平傳統(tǒng)半橋型MMC和改進電壓測量MMC。對比兩種電壓測量以及相應電容電壓平衡方法下的子模塊電容電壓波形和換流器工作特性，設定模型仿真步長為0.01ms，具體仿真參數如表3所示。

表3 仿真系統(tǒng)參數Tab.3 Parameters of simulation system

圖5為不同控制策略下的電容電壓波形。由圖5(a)、圖5(b)可以看出，傳統(tǒng)電壓均衡策略下，電容電壓維持在1500V左右，波動范圍為±5%；采用改進控制策略下的電容電壓也可以維持在1500V左右，波動范圍為±7%。由圖5(c)可以看出，采用改進電容電壓測量方法，控制器得到的實時電壓值UC1和UC1+UC2與實際值基本相同。

圖5 不同均衡策略下的電容電壓Fig.5 Capacitors’ voltages of different methods

圖6和圖7分別為兩種控制策略下的換流器電氣特性?？梢钥闯觯捎酶倪M電容電壓測量拓撲和改進電容電壓均衡方法的換流器與傳統(tǒng)控制方法下?lián)Q流器電氣特性基本相同，保證了穩(wěn)態(tài)時換流器正常的功率傳輸。

圖6 傳統(tǒng)電壓均衡策略下?lián)Q流器電氣特性Fig.6 System feature of MMC applying traditional method

圖7 改進均壓策略下?lián)Q流器電氣特性Fig.7 System feature of MMC applying improved method

6 結論

針對大規(guī)模MMC換流站硬件控制電路設計難度大的問題，本文設計了一種改進電容電壓控制方法，通過在雙子模塊出口端配置一個電壓傳感器，利用雙子模塊出口端電壓和子模塊導通信號，完成換流器電容電壓的均衡。與傳統(tǒng)電壓測量方法相比，改進測量方法中參與控制的電壓信號數量減少50%，有利于簡化控制系統(tǒng)的設計，減輕控制器工作負擔。此外，為了解決新電壓測量方法下電容電壓均衡問題，本文設計了改進電容電壓均衡策略，根據投入模塊個數N，對電容電壓進行分類排序，避免了不必要的排序計算，從數據的處理過程入手進一步優(yōu)化控制器運算，提高系統(tǒng)響應速度。最后通過仿真驗證，改進后的控制策略對換流器的電氣特性幾乎沒有影響。

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Research on improved balance control for sub-module capacitor voltage of modular multilevel converter (MMC)

MA Wen-zhong1, SUN Ying-xin1, WU Lin2, WEI Liang1, ZHAO Hua-fang1

(1．China University of Petroleum (East China) , Qingdao 266580, China; 2. Beijing Kedong Electric Power Control System Co. Ltd.，State Grid Electric Power Research Institute, Beijing 100192，China)

The capacitance voltage measurement and the principle of voltage balance of the modular multilevel converter are introduced in this paper. Under the control of traditional capacitor voltage, there are more voltage sensors and more data acquisition results, which increase the difficulty of controller design when the bridge arm includes too many modules. To solve this problem, an improved capacitance voltage measurement method is proposed, and the voltage sensor in every sub module is connected in parallel to the double module output terminals. Capacitance voltage measurements are performed based on module signals, and voltage sensor number is only half of the traditional measurement method, so as to reduce the cost of the investment and controller workload from the data source. On above mentioned basis, a new capacitor voltage sorting algorithm is designed, which can reduce the amount of unnecessary operation in the traditional sorting process, and further optimize the controller operation in the process of data processing, that ensures the stable operation of the converter. Finally, a simulation model is built to verify the effectiveness of the proposed strategy.

modular multilevel converter (MMC); improved capacitance voltage measurement; voltage sensor; improved capacitor voltage modulation strategy

2016-04-21

國家自然科學基金(51277183)

馬文忠(1968-)， 男， 山東籍， 博士， 教授， 研究方向為電力電子技術與智能電網技術; 孫迎新(1991-)， 男， 山東籍， 碩士研究生， 研究方向為電力電子技術與智能電網技術。

TM46

A

1003-3076(2016)11-0053-06