附加Buck斬波控制的半橋型MMC融冰系統(tǒng)協(xié)同控制策略

朱旭東，李紅穎，連興文，徐根堂，成龍，辛業(yè)春

(1.中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明650217；2.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學)，吉林 吉林132012)

0 引言

受冰凍積雪天氣影響，輸電線路覆冰容易導致斷線、塔倒等事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1-3]。為有效應對冰雪災害，除冰和融冰技術受到了廣泛關注。目前最有效的方法是安裝直流融冰裝置使線路發(fā)熱融化覆冰，這種方法損耗小，速度快，工程實施效果好[4-6]。

直流融冰裝置主要可以分為二極管不控整流型、LCC型和MMC型3種。前兩種融冰裝置運行時會消耗大量無功功率，產(chǎn)生高次諧波，需要配備無功補償和濾波裝置，而且需要配置體積龐大的專業(yè)多繞組變壓器[7-10]，不適合作移動裝置且利用率低。MMC型[11-12]具有開關頻率低、效率高、易于模塊化和諧波小等優(yōu)點。其做融冰設備不用裝濾波器，體積小。還可以在不融冰時轉換為靜態(tài)同步無功功率補償器使用[13-14]，且融冰和無功補償兩種工作模式的轉換方式簡單。

目前對融冰裝置的研究多側重于實現(xiàn)其利用率的最大化，使一個裝置能作用于多條覆冰線路。文獻[15-16]采用全橋型MMC融冰裝置，利用全橋子模塊有“+、-、0”三電平的電壓特性，實現(xiàn)裝置直流電壓從0到額定電壓之間的調(diào)節(jié)，以滿足不同線路融冰時對直流電壓的要求，但裝置的器件成本及損耗較高[17]。文獻[18-19]提出的混合型MMC融冰裝置也能滿足直流電壓連續(xù)可調(diào)要求，且更經(jīng)濟，但控制方式過于復雜。文獻[20]提出了一種晶閘管和全橋型MMC混合型融冰技術，通過兩者的協(xié)同配合提高融冰能力，MMC同時具備濾除諧波和補償無功的能力，但其操作困難，控制較復雜。

鑒于半橋型MMC所需功率器件數(shù)量少，運行損耗較低的優(yōu)勢，將其應用于融冰系統(tǒng)中。為了實現(xiàn)直流電壓的寬范圍連續(xù)可調(diào)，本文提出了附加Buck斬波單元的半橋型MMC融冰系統(tǒng)及其協(xié)同控制策略。針對直流側不同融冰電流需求，提出了MMC橋臂電壓主動控制方法，即根據(jù)直流融冰電流要求獲取直流電壓參考值，進而改變子模塊投入數(shù)量，實現(xiàn)其直流出口電壓的自適應調(diào)整，并綜合考慮交流出口電壓要求及最大調(diào)制比約束，設計了其與直流側附加Buck斬波電路的協(xié)同配合方案，利用Buck斬波電路進一步擴大直流電壓調(diào)節(jié)范圍，在滿足不同線路融冰需求的同時保證交流側的電能質(zhì)量。最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型驗證了所提協(xié)同控制策略的正確性和有效性。

1 附加Buck斬波電路的半橋型MMC融冰系統(tǒng)結構

附加Buck斬波電路的半橋型MMC直流融冰系統(tǒng)如圖1所示，包括半橋型MMC和Buck斬波電路兩個部分。半橋型MMC左側連接交流系統(tǒng)，右側經(jīng)Buck斬波電路通過直流隔離開關(M1—M4)與需要除冰的輸電線路連接。融冰線路以純電阻等效，融冰線路電感很小可近似為0。

圖1 融冰系統(tǒng)與交流電網(wǎng)連接示意圖

2 半橋型MMC融冰裝置工作原理及控制策略

2.1 半橋型MMC融冰裝置拓撲結構

半橋型MMC及子模塊拓撲結構如圖2所示。共6個橋臂由相同數(shù)量和大小的HBSM組成和相同的電感L0級聯(lián)而成。HBSM由兩組IGBT(T1、T2)和二極管(D1、D2)反并聯(lián)后與直流電容C0并聯(lián)組成。工作時每相橋臂始終對稱，上、下橋臂HBSM投入個數(shù)之和相同，保證直流電壓穩(wěn)定。

圖2 半橋型MMC拓撲結構

2.2 半橋型MMC直流融冰裝置橋臂電壓控制

當半橋型MMC直流融冰裝置作用于融冰線路時，由于不同線路的長度、溫度和電阻率等不同，需要的直流電壓也不同，因此融冰裝置應具備直流電壓連續(xù)可調(diào)的能力以滿足不同線路的融冰需求。

半橋型MMC每相橋臂電壓由直流分量和交流分量組成，具體如圖3所示。其穩(wěn)態(tài)運行時，上下橋臂電壓為：

圖3 橋臂電壓組成分布圖

(1)

式中：N為每相橋臂子模塊數(shù)；Uup、Udown分別為上、下橋臂電壓；Vref為橋臂電壓交流分量標幺值。

根據(jù)圖3可以看出，通過改變半橋型MMC橋臂參考電壓可實現(xiàn)其直流側電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)過程可分為如下兩種情況：一種是對交流電壓沒有影響，如圖3(a)所示；另一種則會隨著直流電壓變化改變交流電壓，如圖3(b)所示，影響交流母線上連接的其他設備運行。綜上，針對半橋型MMC 的特點，提出僅降低直流分量的半橋型MMC橋臂電壓控制方法，在擴大融冰電壓范圍的同時保證交流側電能質(zhì)量。

半橋型MMC的數(shù)學模型如式(2)—(4)所示。

(2)

vk=(uku-ukl)/2

(3)

m=2vm/Udc

(4)

式中：usk為交流側k(k= a, b, c)相電壓；isk為交流側k相電流；uku和ukl分別為k相上、下橋臂電壓；Rb為橋臂電阻值；m為半橋MMC正常運行時的調(diào)制比；vm為三相調(diào)制電壓vk峰值的平均值；Udc為直流電壓。

由式(2)—(3)可以看出，在裝置連接交流側電源usk不變的情況下，若控制目標isk不變，則調(diào)制電壓vk不變，vm也不變。由式(4)可知，此時MMC的Udc與m成反比。而半橋型MMC運行時m一般都會控制在0.8～0.9[21-23]，最大時為1。因此，為了維持MMC交流出口電壓不變，可通過判斷其調(diào)制比是否越限確定MMC直流出口電壓下限值，具體控制框圖如圖3所示。

半橋型MMC融冰裝置控制圖如圖4所示，在基本雙閉環(huán)控制中引入直流電流控制環(huán)節(jié)和最大調(diào)制比判斷環(huán)節(jié)?？刂频哪康氖峭ㄟ^改變HBSM投入數(shù)量來改變直流電壓，并且不影響交流母線電壓。

圖4 半橋型MMC融冰裝置控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的流程如下。

1)引入直流電流控制環(huán)節(jié)，根據(jù)不同融冰線路對融冰電流的需求獲取直流電壓參考值，實現(xiàn)融冰線路電流的實時追蹤和準確控制，達到融冰效果。

2)設計根據(jù)直流電壓參考值變化調(diào)整橋臂電壓參考值，改變HBSM投入數(shù)量的方式來控制直流電壓輸出。實現(xiàn)直流電壓的降低。此時上、下橋臂投入子模塊數(shù)為：

(5)

式中：N為每相橋臂子模塊數(shù)量；Nup、Ndown分別為上、下橋臂投入子模塊數(shù)量；vv為調(diào)制波瞬時值；Uc為子模塊電容電壓平均值；round(·)為四舍五入取整；kt為瞬時調(diào)制比。此外，為了防止在減少子模塊投入個數(shù)時，使子模塊電容出現(xiàn)過電壓，外環(huán)有功類控制回路采用定子模塊電容電壓控制。

3)考慮到直流電壓參考值一直由直流電流控制器輸出，可能使直流電壓過小，超出裝置的調(diào)節(jié)裕度，影響橋臂交流分量。因此引入最大調(diào)制比判斷模塊，利用Udcref根據(jù)式(6)計算瞬時調(diào)制比kt，判斷kt值是否在m～1之間，若在此范圍內(nèi)則采用直流電流控制器輸出的Udcref；若kt大于1，則將式(7)計算的最小直流電壓Udcmin設為Udcref，以保證其交流側的電能質(zhì)量。因此，半橋型MMC受交流出口電壓和最大調(diào)制比約束，直流電壓調(diào)節(jié)范圍僅為15%左右，當融冰線路電壓要求低于該范圍時，則需要配合直流側附加Buck斬波電路擴大直流電壓調(diào)節(jié)范圍，滿足不同類型、長度線路的融冰需求。

kt=2vm/Udcref

(6)

Udcmin=2vm

(7)

3 Buck斬波電路工作原理及控制策略

3.1 Buck斬波電路拓撲結構及控制策略

Buck斬波電路的拓撲結構如圖5(a)所示，VT為多個全控型器件IGBT串聯(lián)；D1為多個續(xù)流二極管串聯(lián)；VT采用并聯(lián)RCD緩沖電路的方法進行均壓[24-25]。LC組成低通濾波；R為融冰線路等效電阻。工作原理如下。

圖5 Buck斬波電路拓撲結構及等效電路

1)如圖5(b)所示，當VT導通時，直流電壓Udcmin通過電感為融冰線路提供能量，同時為電容C1充電，D1反向截止，L1能量逐漸增加。電感的電流iL在0～ton內(nèi)可看為線性增長，最大值為iLMAX。iL的增量為：

(8)

式中：I0為融冰線路電流；U0為線路兩端電壓；TS為VT的一個開斷周期；ton為VT導通時間；D為Buck斬波電路的占空比，且D=ton-TS。

2)如圖5(c)所示，當VT關斷時，iL不會突變，電感中能量通過D1導通續(xù)流，iL逐漸變小，此時融冰需要的能量由L1儲能提供。當iL下降到比融冰電流I0更小時，C1開始放電，使融冰線路電流I0和電壓U0保持不變。VT截止的時間為Ts-ton。iL近似呈線性減小，iL的減少量為：

(9)

當斬波電路穩(wěn)定工作時，iL呈周期性變化，VT導通時iL與VT截止時的iL是相等的，即：

ΔiL+=ΔiL-

(10)

聯(lián)立式(8)、式(9)和式(10)可得：

U0=DUdcmin

(11)

由式(11)可知，改變Udcmin或者D能改變U0。對于Udcmin的調(diào)節(jié)已在2.2節(jié)說明，所以當Udcmin不變時，只能依靠改變D來實現(xiàn)對輸出電壓平均值U0的調(diào)節(jié)，進而改變?nèi)诒娏鳌?/p>

Buck斬波電路控制框圖如圖 6 所示，同樣經(jīng)過直流電流控制環(huán)節(jié)得到Udcref，然后計算得到斬波控制量D，將其與相應移相角度的三角載波比較后得到斬波驅(qū)動脈沖，控制VT導通與關斷，進而實現(xiàn)覆冰線路電壓的連續(xù)調(diào)控。

圖6 Buck斬波電路控制框圖

3.2 Buck斬波電路參數(shù)設計

如果在TS時刻iL剛好降至0，則為iL連續(xù)的臨界狀態(tài)，這時I0和iL之間滿足：

ΔiL=2I0

(12)

聯(lián)合式(10)和式(12)，則有：

(13)

式中Lmin為L1的臨界參數(shù)值，但是在實際應用時一般取臨界值Lmin的1.2倍。由式(13)可知占空比D越小，Lmin越大。因此Lmin可以取一個相對較大的值，這樣可以增大輸出電壓范圍。

ΔU0為電容兩端電位差，取值一般小于U0的10%。ΔU0與其他參數(shù)的關系為：

(14)

根據(jù)式(14)可求得Buck斬波電路的電容為：

(15)

4 融冰系統(tǒng)協(xié)同控制策略及經(jīng)濟性分析

4.1 附加Buck斬波的半橋型MMC融冰系統(tǒng)協(xié)同控制

前文所述兩種調(diào)壓方法增加了Buck斬波電路，要增加器件數(shù)量，導致設備成本上升。為降低成本，設計了兩者的協(xié)同控制策略。首先根據(jù)需求確認所需融冰電壓和電流，如果需要的電流電壓較大，則采用半橋型MMC橋臂電壓控制調(diào)壓；如果所需電流電壓較小，半橋型MMC無法適應融冰線路要求，則使用附加Buck斬波電路的半橋型MMC融冰裝置調(diào)壓，此時半橋型MMC運行在最小輸出電壓下，即最大調(diào)制比下，通過調(diào)整Buck斬波電路的占空比即可實現(xiàn)零起升壓/升流，最終使直流電壓穩(wěn)定于目標電壓。因此，通過半橋MMC與Buck斬波電路的協(xié)調(diào)配合，可以實現(xiàn)直流電壓從0至額定值的連續(xù)調(diào)節(jié)，在滿足不同融冰電流需求的同時降低器件使用數(shù)量。其具體流程如圖7所示。

圖7 融冰流程圖

4.2 經(jīng)濟性分析

為說明所提裝置的經(jīng)濟性，在相同功能下將其與全橋型MMC和混合比例為1:1的混合橋型MMC融冰裝置做經(jīng)濟性比較，分別從IGBT、二極管、電容等器件的使用情況進行對比。設工作電壓均為12.5 kV直流電壓，每個橋臂有18個子模塊(含冗余)。每個子模塊采用額定電壓為1.7 kV的IGBT器件、橋臂電感L0=0.003 185 H、子模塊電容C0=20 mF。Buck斬波電路采用15個額定電壓為1.7 kV的IGBT器件串聯(lián)，且每個IGBT需要1個RCD緩沖電路進行均壓(需要15個二極管，15個電阻，15個電容，電容和二極管配置同橋臂子模塊的配置相同，電阻要承受二極管釋放的能量)和5個額定電壓為3.6 kV二極管、以及1個大小為6 mH的電感，1個大小為150 μF的電容。MMC中總電容容量EC、Buck斬波電路中電容容量EB如式(16)—(17)所示。

EC=0.5×18×6×20 mF×(0.9 kV)2=0.875 MJ

(16)

EB=0.5×150 μF×(12.5×0.85)2+

0.5×15×20mF×(0.9 kV)2

=0.129 5 MJ

(17)

經(jīng)上述分析計算，3種相同功能的融冰裝置所需器件數(shù)見表1，其中考慮了RCD緩沖電路使用器件個數(shù)?？梢钥闯鲈?種裝置中附加Buck斬波電路的半橋型MMC融冰裝置使用的IGBT和二極管器件數(shù)量最少，相較于混合橋型融冰裝置少了近1/3。雖然附加Buck斬波電路的半橋型MMC裝置增加了電容，但通過計算其容量并不大，所以其經(jīng)濟性依舊優(yōu)于其他兩種。

表1 同一條件下3種融冰方案所需器件數(shù)對比

5 仿真分析

為了驗證所提附加Buck斬波控制的半橋型MMC融冰系統(tǒng)的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了如圖1所示的直流融冰系統(tǒng)仿真模型。正常運行時，MMC連接變比為35 kV：6.5 kV變壓器的低壓側即6.5 kV側的直流電壓為12.5 kV，調(diào)制比m≈0.85，直流電流最大值為1.25 kA，R設為固定值10 Ω，上、下橋臂分別有18個子模塊(包含裕度)。Buck斬波電路中L1=6 mH，C1=150 μF。

5.1 橋臂電壓控制仿真分析

模型完成初始化后在0.5 s時啟動半橋型MMC，利用交流系統(tǒng)電壓對MMC進行不控整流充電，直至換流站直流側電壓達到交流系統(tǒng)線電壓的幅值。0.1 s后解鎖換流站進入可控充電階段，通過流入的功率進一步提升直流側電壓至參考值。在1.2 s時設置直流電流參考值從1.061 5 kA成比例增加至1.25 kA，結果如圖8(a)所示。圖8(b)中的直流電壓也隨之成比例變化，從10.61 5 kV上升到12.5 kV。從圖8(a)和(b)可以看出，在解鎖控制后，半橋型MMC融冰裝置可運行在10.615～12.5 kV中的任意值下。調(diào)制比約束在m

圖8 最大調(diào)制比控制下融冰線路運行特性

圖9為半橋型MMC融冰系統(tǒng)運行在不同直流電壓情況下MMC交流母線電壓總畸變率。

圖9 運行在不同電壓下的交流母線電壓總畸變率

可以明確看出在調(diào)制比限制下，只改變橋臂電壓直流分量，MMC交流母線諧波電壓畸變率很小，對電能質(zhì)量基本沒有嚴重影響，因此半橋型MMC在橋臂電壓控制下既可以實現(xiàn)連續(xù)的直流電壓調(diào)節(jié)，又不影響交流母線的電能質(zhì)量。

5.2 附加Buck斬波的融冰系統(tǒng)仿真分析

為驗證Buck斬波電路能夠在千瓦級電壓等級實現(xiàn)對電壓的控制，在MATLAB/Simulink中原半橋型MMC上加入Buck斬波電路，并合理設置電路參數(shù)，分析不同占空比下融冰系統(tǒng)的運行特性。

MMC出口直流電壓設置為MMC運行在調(diào)制比約束下的最小直流電壓Udcmin(10.615 kV)，并分別在占空比為0.8、0.5和0的情況下進行仿真，此時直流電壓分別為8.5、5.312 5、0 kV，其運行特性如圖10所示。

圖10 不同占空比D下Buck斬波電路的運行特性

圖10中分別給出了Buck斬波電路的PWM脈沖波形、融冰線路電壓電流以及MMC換流器出口電壓波形。由圖10可知，融冰線路電壓根據(jù)占空比呈線性變化，并且不影響MMC出口直流電壓，電壓一直維持在10.615 kV。由此，可以看出Buck斬波電路可在不影響MMC情況下實現(xiàn)對電壓的連續(xù)調(diào)控。

圖11為附加Buck斬波的半橋型MMC融冰系統(tǒng)在不同占空比運行下的MMC交流母線電壓總畸變率，從圖中可以看出畸變率不大，遠遠小于國家規(guī)定的電壓畸變指標，所以附加Buck斬波控制的融冰系統(tǒng)運行于不同占空比下都不會影響MMC交流側母線的電能質(zhì)量。

圖11 Buck斬波不同占空比下MMC交流母線電壓畸變

6 結論

結合半橋型MMC與Buck斬波電路技術優(yōu)勢，提出了附加Buck斬波的半橋型MMC直流融冰系統(tǒng)結構及其協(xié)同控制方法，實現(xiàn)了對融冰線路上電壓、電流的寬范圍連續(xù)調(diào)控，并得到如下結論：

1)在半橋型MMC中使用橋臂電壓控制，控制HBSM投入的數(shù)量，改變橋臂電壓直流分量，實現(xiàn)了直流出口電壓的自適應調(diào)整，其調(diào)節(jié)范圍在15%左右；

2)引入Buck斬波電路，并設計根據(jù)電流變化調(diào)節(jié)占空比的融冰線路電壓調(diào)控方法，增大了直流電壓調(diào)節(jié)范圍；

3)通過MMC橋臂電壓控制和Buck斬波控制的協(xié)調(diào)配合，可在實現(xiàn)直流電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)的同時提升融冰系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性。