韓 嘯,李 睿
(電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué)),上海 200240)
模塊化多電平變換器MMC(modular multilevel converter)在直流配電領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的兩電平拓?fù)湎啾?,MMC 具有以下明顯的優(yōu)勢(shì):MMC 的每個(gè)橋臂由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)子模塊SMs(submodules)串聯(lián)而成,多個(gè)子模塊不需要同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷,可降低電壓變化率;相同等效開(kāi)關(guān)頻率下開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率更低,減小了變換器的損耗;子模塊采用分布式直流電容,容易得到較高的輸出電平數(shù),使變換器交流側(cè)電壓和電流更接近理想的正弦波,可以減小甚至省去換流站的大容量交流濾波器;電抗器串聯(lián)在上下橋臂之間,使直流側(cè)短路時(shí)故障電流的上升率限制在較低的水平;模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和冗余,系統(tǒng)容量提高,穩(wěn)定性增強(qiáng)[1-3]。然而,MMC 拓?fù)湟泊嬖谝恍┤秉c(diǎn)。由于其所有的子模塊電容為懸浮狀態(tài)串聯(lián)在橋臂中,橋臂電流含直流分量、一倍頻分量與二倍頻分量,橋臂電壓含直流分量與一倍頻分量,因此橋臂功率含一倍頻、二倍頻和三倍頻交流分量,這些交流分量作用在電容上,導(dǎo)致子模塊電容電壓存在波動(dòng),尤其當(dāng)變換器容量提升時(shí),需要使用較大的電容才能將子模塊電容電壓的波動(dòng)限制在合理的范圍內(nèi)[4-5]。子模塊電容的成本大約是整個(gè)子模塊成本的1/3,而子模塊電容的重量和尺寸卻占整個(gè)子模塊很大的比例。減小子模塊電容對(duì)降低系統(tǒng)成本、提高變換器功率密度、實(shí)現(xiàn)變換器的輕型化具有重要意義,因此必須采取一定措施,以減小子模塊電容[6]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些減小MMC 電容的方法,主要分為改進(jìn)拓?fù)漕惙椒ê透郊涌刂祁惙椒╗7-9]。由于目前實(shí)際應(yīng)用中MMC 拓?fù)湟园霕蜃幽K為主,從成本和實(shí)現(xiàn)難度的角度考慮,附加控制類方法是工程中常用的方法。附加控制類方法通過(guò)注入特定環(huán)流和電壓以改變相間環(huán)流和橋臂電壓等物理量來(lái)減小電容電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[10]通過(guò)抑制相間環(huán)流的方法減小了子模塊電容電壓波動(dòng),但其沒(méi)有利用MMC 中環(huán)流這一特有的自由度;文獻(xiàn)[11-13]通過(guò)注入在線計(jì)算的環(huán)流來(lái)減小子模塊電容電壓的波動(dòng),但在線計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜;文獻(xiàn)[14-15]通過(guò)注入離線計(jì)算的二次環(huán)流和三次共模電壓,消除了電容電壓波動(dòng)的二倍頻分量,可以將子模塊容值需求降低至常規(guī)方法的1/3。以消除二倍頻的子模塊電容電壓波動(dòng)或橋臂功率波動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)雖然有一定效果,但已有方法沒(méi)有利用電容電壓波動(dòng)的解析表達(dá)式分析不同注入成分對(duì)電容電壓波動(dòng)幅值的直接影響。
本文針對(duì)典型半橋MMC 系統(tǒng),首先簡(jiǎn)要介紹了MMC 的工作原理,建立了子模塊電容電壓波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。然后分析了電容電壓紋波隨所注入共模電壓和環(huán)流的變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上提出了一種新的優(yōu)化方法。從電容電壓波動(dòng)的精確解析表達(dá)式入手,注入合適幅值和相位的三次共模電壓和二、四次環(huán)流,選取最優(yōu)調(diào)制比,使目標(biāo)函數(shù)電容電壓紋波達(dá)到最小化,從而在一定電容電壓波動(dòng)率下使其電容取值達(dá)到最小化。所提方法可以將子模塊容值的需求降低至常規(guī)方法的22%,變換器功率損耗降低至常規(guī)方法的87%。最后,用RT-LAB 實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。
三相MMC 電路模型如圖1 所示。MMC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,它由3 個(gè)相單元組成,每個(gè)相單元由上下兩個(gè)橋臂組成,每個(gè)橋臂又由N 個(gè)子模塊和一個(gè)橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成。橋臂電感為MMC 提供限制和控制橋臂電流的能力。3 個(gè)上橋臂的連接點(diǎn)為正直流母線,3 個(gè)下橋臂的連接點(diǎn)為負(fù)直流母線。子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為半橋HB(half-bridge)電路,它由2 個(gè)開(kāi)關(guān)管(S1、S2)和一個(gè)直流電容(C)組成。采用脈沖寬度調(diào)制PWM(pulse width modulation)法控制每個(gè)子模塊開(kāi)關(guān)管的脈沖,使每個(gè)子模塊的輸出電壓均為帶直流偏置的正弦波,所有子模塊的輸出電壓疊加得到橋臂電壓,上下橋臂之間中點(diǎn)的電壓為交流相電壓。因此,MMC 可以實(shí)現(xiàn)AC/DC 或DC/AC 的變換。
假定MMC 的3 個(gè)相單元參數(shù)完全相同,上下橋臂參數(shù)對(duì)稱,僅以a 相為例進(jìn)行分析。a 相的等效電路模型如圖1(b)所示。直流母線電流Id在3 個(gè)相單元中平分,a 相交流電流ia在上下橋臂中平分,忽略相間環(huán)流,則上下橋臂電流ipa和ina分別表示為
a 相交流電流ia的表達(dá)式為
式中:Im為交流側(cè)a 相電流幅值;ω 為電網(wǎng)角頻率,ω=2πf,f=50 Hz;t 為時(shí)間。直流母線電壓Ud在上下橋臂中平分,該交流相電壓ua為變換器交流側(cè)的電壓,則上下橋臂電壓upa和una分別表示為
由于MMC 在正常工作情況下交流側(cè)功率因數(shù)為1,電壓ua與電流ia同相位,則ua表示為
式中,Um為交流側(cè)a 相電壓幅值。
圖1 MMC 電路模型Fig.1 Circuit models of MMC
假定所有子模塊電容電壓均壓良好,子模塊電容平均電壓Uc與直流母線電壓Ud的關(guān)系為
當(dāng)MMC 工作在穩(wěn)態(tài)時(shí),子模塊輸入功率在0處上下波動(dòng),一個(gè)交流周期內(nèi)子模塊電容電壓在平均值Uc附近波動(dòng),如圖2 所示。圖中:upai為單個(gè)子模塊輸出電壓;ipa為a 相上橋臂電流;ppai為單個(gè)子模塊的功率,即upai與ipa的乘積;Uc為電容電壓平均值,也即電容電壓直流分量;uc為子模塊電容電壓的交流分量。
圖2 子模塊功率與電壓波動(dòng)Fig.2 Submodule power and voltage fluctuation
每個(gè)子模塊可以看作是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)。如果忽略二端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的能量損耗,那么輸入到子模塊的能量全部被電容C 吸收。則電容的能量變化為
式中:t0為電容電壓等于Uc的初始時(shí)刻;t 為任意時(shí)刻。相比直流電壓和交流電壓,橋臂電感兩端的電壓非常小,可以忽略,因此所有上橋臂電容的能量變化epa為
由于紋波遠(yuǎn)小于電容電壓平均值,交流分量uc的平方項(xiàng)可以忽略,可推得電容電壓交流分量為
式中:upa為a 相上橋臂所有子模塊的輸出電壓;ua和ia為分別a 相相電壓和相電流;ucom為共模電壓;iacir為a 相環(huán)流。
定義調(diào)制比M 為
定義電容電壓波動(dòng)率ε 為電容電壓的交流分量峰峰值ucpp與電容電壓直流分量的比值,即
不同方法中,共模電壓ucom和環(huán)流iacir選取不同,使得電容電壓波動(dòng)率ε 不同,因此子模塊電容容值需求不同。
如果只注入三次共模電壓抑制環(huán)流,則共模電壓和環(huán)流為
式中:Ucom為共模電壓幅值;iacir、ibcir、iccir分別為3 個(gè)相單元中的環(huán)流。
本文所有電容電壓紋波都采用標(biāo)幺值,即Id=1 p.u.、ω=1 p.u.、C=1 p.u.時(shí)電容電壓紋波為ucpp。注入三次共模電壓會(huì)帶來(lái)2 個(gè)影響:①減小子模塊電容電壓紋波ucpp;②改變最大調(diào)制比Mmax,如圖3 所示。
圖3 注入共模電壓對(duì)電容電壓波動(dòng)的影響Fig.3 Effect of common-mode voltage injection on capacitor voltage fluctuation
由圖3 可見(jiàn),電容電壓紋波隨共模電壓幅值的增大而減小的速度非常緩慢,如圖3(a)中實(shí)線所示,因此當(dāng)調(diào)制比不改變時(shí),僅改變共模電壓幅值對(duì)電容電壓紋波的影響非常小;最大調(diào)制比隨共模電壓幅值先增大后減小,當(dāng)注入的共模電壓幅值為交流電壓幅值的1/6 時(shí),理論最大調(diào)制比達(dá)到最大值約1.15,如圖3(a)中虛線所示。在直流側(cè)電壓和電流不變的情況下,增大調(diào)制比可以使電容電壓紋波急劇減小,如圖3(b)所示。因此,注入共模電壓的意義在于通過(guò)增加調(diào)制比來(lái)間接減小子模塊電容電壓紋波。三次共模電壓的選取原則應(yīng)為使調(diào)制比的取值范圍達(dá)到最大,即采用三次諧波電壓注入調(diào)制,此時(shí)注入的共模電壓為
如果采用正弦波調(diào)制,只注入二次環(huán)流時(shí),共模電壓和環(huán)流分別為
式中,I2為二次環(huán)流幅值。
在4 種典型調(diào)制比下電容電壓紋波與二次環(huán)流幅值的關(guān)系如圖4 所示。如果不對(duì)環(huán)流進(jìn)行控制,I2將會(huì)為負(fù)值,其幅值大小取決于電路元件參數(shù),橋臂電感越大環(huán)流幅值越小,但只要I2為負(fù)值,就會(huì)使電容電壓紋波比環(huán)流為0 時(shí)的要大。采用常規(guī)抑制環(huán)流方法時(shí),I2=0?,F(xiàn)有環(huán)流注入方法為消除電容電壓脈動(dòng)的二倍頻分量時(shí),I2=Id/3。在相同調(diào)制比下,相比常規(guī)抑制環(huán)流方法,現(xiàn)有注入方法可以進(jìn)一步減小電容電壓波動(dòng)。當(dāng)調(diào)制比升高后,常規(guī)抑制環(huán)流方法和現(xiàn)有環(huán)流注入方法的子模塊電容電壓紋波都減小。
圖4 電容電壓紋波與注入二次環(huán)流幅值的關(guān)系Fig.4 Relationship between capacitor voltage ripple and injected second-order circulating current amplitude
如果采用三次諧波電壓注入調(diào)制,注入二次環(huán)流時(shí),共模電壓和環(huán)流分別為
在4 種典型調(diào)制比下電容電壓紋波與二次環(huán)流幅值的關(guān)系如圖4(b)所示。注入三次諧波后,調(diào)制比的取值范圍提高了0.15,常規(guī)抑制環(huán)流方法和現(xiàn)有環(huán)流注入方法的子模塊電容電壓紋波都比正弦波調(diào)制時(shí)更小。可以看出,在每一種調(diào)制比下,隨著注入二次環(huán)流幅值的變化,電容電壓紋波存在最低點(diǎn)。對(duì)于每一種調(diào)制比,都存在一種環(huán)流注入方式可以使電容電壓紋波達(dá)到最小,而且隨著調(diào)制比的升高,電容電壓紋波最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二次環(huán)流幅值減小,這是僅考慮二次環(huán)流且a 相二次環(huán)流的相位與相電流相差π/2 的情況。
為了取得最大調(diào)制比,采用三次諧波電壓注入調(diào)制,則上橋臂電壓upa和下橋臂電壓una可以表示為
3 個(gè)相單元中的環(huán)流分別為iacir、ibcir、iccir,則上橋臂電流ipa和下橋臂電流ina可以表示為
環(huán)流僅在MMC 的3 個(gè)相單元內(nèi)部流通,不流向交、直流側(cè),僅包含偶次諧波分量,其中6k+2(k=0,1,2,…)次諧波為負(fù)序,6k+4 次諧波為正序,6k+6 次諧波為零序。二次環(huán)流和四次環(huán)流對(duì)子模塊電容電壓波動(dòng)的影響較大,其他高次環(huán)流對(duì)子模塊電容電壓波動(dòng)的影響較小,因此本文只考慮二次環(huán)流和四次環(huán)流。
首先,假設(shè)只注入的是二次環(huán)流,設(shè)幅值為I2,a 相相位為θ2,則可表示為
當(dāng)M=1.1 時(shí),電容電壓紋波與二次環(huán)流的幅值和相位的關(guān)系如圖5(a)所示。由圖可見(jiàn),對(duì)于任意的二次環(huán)流幅值,當(dāng)且僅當(dāng)相位為-π/2 時(shí),電容電壓紋波取得最小值。換言之,電容電壓紋波最小值點(diǎn)一定落在θ2=-π/2 這條線上。因此,當(dāng)僅注入二次環(huán)流時(shí),應(yīng)取I2=0.43 p.u.,θ2=-π/2。
現(xiàn)在,假設(shè)同時(shí)注入二次和四次環(huán)流,設(shè)二次環(huán)流的幅值為0.43Id,a 相相位為-π/2;四次環(huán)流的幅值為I4,a 相相位為θ4,則有
電容電壓紋波與四次環(huán)流幅值和相位的關(guān)系如圖5(b)所示??梢?jiàn),對(duì)于任意的四次環(huán)流幅值,電容電壓紋波最小值點(diǎn)落在θ4=-π/2 這條線上。由此推斷,同時(shí)注入二、四次環(huán)流時(shí),電容電壓紋波的最小值一定在θ2=-π/2、θ4=-π/2 時(shí)取得。
圖5 電容電壓紋波與環(huán)流幅值和相位的關(guān)系Fig.5 Relationships between capacitor voltage ripple and the amplitude and phase of circulating current
最終,設(shè)注入的環(huán)流為
定義二次環(huán)流注入比為x,四次環(huán)流注入比為y,分別表示為
如果忽略變換器的能量損耗,則交流相電流幅值與直流母線電流的關(guān)系為
共模電壓和環(huán)流的注入方式如圖6 所示。
圖6 注入方式Fig.6 Injection modes
電容電壓交流分量的表達(dá)式為
電容電壓紋波與二次環(huán)流注入比和四次環(huán)流注入比之間的關(guān)系可根據(jù)式(22)得出。其中,電容電壓紋波與直流母線電流成正比,與交流側(cè)頻率和子模塊電容容值成反比。因此,本文更加關(guān)注調(diào)制比、二次環(huán)流注入比、四次環(huán)流注入比與電容電壓紋波之間的關(guān)系。在特定的應(yīng)用場(chǎng)合中,調(diào)制比通常是固定的。對(duì)于給定的一組交流頻率、調(diào)制比、直流母線電流和子模塊電容容值,電容電壓紋波僅與二次環(huán)流注入比x 和四次環(huán)流注入比y 有關(guān)。為了獲得最小的電壓紋波,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膞 和y 來(lái)使電容電壓紋波最小化。
在5 種典型調(diào)制比下,繪制了電容電壓紋波與二次環(huán)流注入比和四次環(huán)流注入比的關(guān)系曲面,如圖7 所示,曲面的最低點(diǎn)表示子模塊電容電壓紋波最小值點(diǎn)。可見(jiàn),當(dāng)M 為1.10、x 和y 分別為0.44 和0.07 時(shí),電容電壓紋波達(dá)到最小值0.112 7。因此,應(yīng)取M=1.10,x=0.44,y=0.07。
圖7 不同調(diào)制比下電容電壓紋波與注入比的關(guān)系Fig.7 Relationships between capacitor voltage ripple and injection index at different modulation indexes
3 種不同方法的對(duì)比結(jié)果如圖8 所示,圖中,常規(guī)方法指不注入共模電壓且抑制環(huán)流,調(diào)制比取典型值0.9;現(xiàn)有方法指采用三次諧波電壓注入調(diào)制,注入二次環(huán)流消除電容電壓脈動(dòng)的二倍頻分量,調(diào)制比取典型值1.05。
由于開(kāi)關(guān)頻率較低,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗是變換器損耗的主要組成部分。根據(jù)文獻(xiàn)[16]的計(jì)算方法,每個(gè)半橋子模塊的導(dǎo)通損耗為
式中:U0和R0分別為IGBT 的等效開(kāi)路電壓和內(nèi)阻,主要由所選用IGBT 的特性決定;Iavr為橋臂電流絕對(duì)值的平均值;Irms為橋臂電流的均方根值。Iavr和Irms分別表示為
因此,變換器的整體導(dǎo)通損耗標(biāo)么值ηloss為
MMC 模型采用直流母線電壓9 000 V、直流母線電流150 A、每個(gè)橋臂有6 個(gè)子模塊,同時(shí)IGBT模塊采用英飛凌FF450R33T3E3 進(jìn)行損耗計(jì)算,取U0=1.52 V、R0=3.13 mΩ。通過(guò)計(jì)算式(25),得到導(dǎo)通損耗ηloss與注入比的關(guān)系,如圖9(a)所示。由圖可見(jiàn),環(huán)流為0 時(shí)損耗并不是最小的,所提方法雖然注入了環(huán)流,但損耗更小。這是由于抑制環(huán)流時(shí)橋臂電流為直流分量疊加一次分量,采用本文所提方法橋臂電流為直流分量疊加一次、二次和四次分量,可以證明,如果二次和四次分量選取合適,橋臂電流絕對(duì)值的平均值比二次和四次分量為0 時(shí)更小,而橋臂電流絕對(duì)值的平均值與導(dǎo)通損耗直接相關(guān)。不同方法的導(dǎo)通損耗對(duì)比如圖8(b)所示。
圖8 不同方法的對(duì)比結(jié)果Fig.8 Comparison results among different methods
圖9 導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力與注入比的關(guān)系Fig.9 Relationship between conduction loss,transistor current stress,and injection index
開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力以直流母線電流為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)幺化。開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力與注入比的關(guān)系如圖9(b)所示。不同方法的開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力對(duì)比如圖8(c)所示。在抑制環(huán)流方法中,開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力為1.074 倍的直流母線電流。本文所提方法的電流應(yīng)力比抑制環(huán)流方法的提高了22%。
系統(tǒng)的環(huán)流控制方案如圖10 所示。調(diào)制波是輸出電流控制環(huán)路輸出、環(huán)流控制環(huán)路輸出和直流分量的疊加。
圖中:ipa、ina分別是a 相上橋臂、下橋臂電流,它們相減得到a 相交流側(cè)相電流ia;ipb、inb分別是b 相上橋臂、下橋臂電流,它們相減得到b 相交流側(cè)相電流ib;ipc、inc分別是c 相上橋臂、下橋臂電流,它們相減得到c 相交流側(cè)相電流ic;id、iq分別是ia、ib和ic經(jīng)過(guò)dq 變換得到的d 軸電流值和q 軸電流值;分別是d 軸電流和q 軸電流的參考值,由系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率計(jì)算得到;Ud、Uq分別是三相電壓經(jīng)過(guò)dq 變換得到的d 軸電壓值和q 軸電壓值;分別是經(jīng)三次諧波注入后的三相控制信號(hào);分別是a 相、b 相和c 相的環(huán)流參考值,該環(huán)流參考值由第3.1 節(jié)計(jì)算得到的二次環(huán)流和四次環(huán)流組成;分別是a 相、b相和c 相環(huán)流參考值與實(shí)際值相減后經(jīng)過(guò)PR 控制器的輸出信號(hào);Ud是直流母線電壓;upa、una分別是a相上橋臂、下橋臂的調(diào)制電壓;upb、unb分別是b 相上橋臂、下橋臂的調(diào)制電壓;upc、unc分別是c 相上橋臂、下橋臂的調(diào)制電壓。upa和una滿足
圖10 環(huán)流控制方案Fig.10 Control scheme of circulating current
為了驗(yàn)證所提方法,本文建立了基于MMC 系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器模型。直流側(cè)為直流電壓源,交流側(cè)為三相電壓源,采用定輸出電流控制策略。在Matlab/Simulink 中建立了并網(wǎng)MMC 模型,參數(shù)如表1 所示。本文所提方法與常規(guī)方法(不注入共模電壓且抑制環(huán)流)的仿真結(jié)果如圖11 所示。
圖11 Matlab/Simulink 仿真結(jié)果Fig.11 Matlab/Simulink simulation results
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法,在RT-LAB 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證,所用MMC 模型參數(shù)如表1 所示,考慮了開(kāi)關(guān)管死區(qū)時(shí)間、采樣誤差、AD 轉(zhuǎn)換等實(shí)際情況。本文所提方法和常規(guī)方法的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果分別如圖12(a)和圖12(b)所示。當(dāng)子模塊電容電壓波動(dòng)率都為10%時(shí),采用本文所提方法的子模塊電容為0.38 mF,采用常規(guī)方法的子模塊電容為1.7 mF。可知,本文所提方法的子模塊電容容值的需求約為常規(guī)方法的22%。
表1 并網(wǎng)MMC 模型的參數(shù)Tab.1 Parameters of grid-connected MMC model
圖12 RT-LAB 實(shí)時(shí)仿真結(jié)果Fig.12 RT-LAB real-time simulation results
為了減小MMC 子模塊電容容值,本文提出了一種優(yōu)化方法。通過(guò)注入特定幅值和相位的三次共模電壓和二、四次環(huán)流,選取最優(yōu)調(diào)制比,對(duì)子模塊電容電壓紋波進(jìn)行了優(yōu)化。采用本文所提方法可以使子模塊電容容值的需求降低至常規(guī)方法的22%,變換器功率損耗降低至常規(guī)方法的87%,而開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力與現(xiàn)有方法相比只增加0.5%。同時(shí)需指出,由于本文所提方法在調(diào)制比取值較大時(shí)需注入的環(huán)流成分較小,這樣才能降低損耗,因此適用于調(diào)制比接近1.1 的場(chǎng)合。