模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究

石绍磊，李彬彬，张 毅，徐殿国

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001）

模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究

石绍磊，李彬彬，张 毅，徐殿国

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001）

模块化多电平型（modular multilevel）高压DC/DC变换器采用模块化结构，能够很容易通过子模块串联的方法得到较高的电压和功率等级，适用于高压大功率直流变压场合。该DC/DC变换器采用由两个模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）组成“面对面相连”的结构，其本身具有直流侧故障保护的功能，无需采用直流断路器进行保护，变压器的存在可实现了电气隔离。目前针对此拓扑结构的研究尚处于起步阶段，其基本运行方式仍是研究的重点和难点。本文具体描述了模块化多电平型高压DC/DC变换器的拓扑结构，并且分析了其本身具有直流侧故障保护功能的作用机理。在此基础上，从调制策略、电容电压平衡策略及功率控制策略三方面对控制器进行设计。最后，通过建立仿真模型和搭建单相结构的实验平台，验证了所提基本运行方式的有效性。

DC/DC；模块化多电平换流器（MMC）；电容电压平衡策略

引言

近年来，可再生能源的开发规模不断增加［1］，传统的交流电网体系逐渐很难接纳，例如风能、太阳能等大规模可再生能源发电入网，为此必须采用新的电网体系来满足日益增长的需求。而基于常规直流及柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术是解决这一问题的有效技术手段之一［2］。另一方面，由于越来越多的直流输电系统投入运行，人们迫切希望建立多端直流输电网络来满足现实需要［3］。但由于不同类型的直流系统拥有不同的电压等级，直流系统之间互联功能必须要依靠高电压大功率DC/DC变换器来实现，因此，高压DC/DC变换器是直流电网建设的重要基础和关键性设备之一［4］。

直流电网的不断发展需要在直流保护和直流电压变压器领域中有着巨大的技术飞跃［5］。对于大功率DC/DC变换器，文献［6］提出了一种晶闸管LC谐振型DC/DC变换器，该变换器由低压侧、高压侧两部分组成，通过交流变压器相连，通过控制各个桥臂晶闸管的开通改变桥臂结构，通过谐振实现电压变换的功能。这种结构能够实现较高的升压比；可实现软开关结构，开关损耗较低且输入输出侧能实现电气隔离。但该结构谐振回路LC参数设计困难，滤波器设计困难；无法进行故障隔离，需要配备直流变压器。文献［7］提出了一种基于模块式结构的DC/DC变换器,该变换器含有上下两个桥臂，利用不同频率下的功率传输的正交性原理，通过构建一个二次侧功率环，从而使模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）工作在DC/ DC模式下；文献［8］则通过在上下桥臂间加入变压器来进行能量的交换，从而提高其谐波性能；然而以上两种结构为非隔离型DC/DC变换器，无法实现输入输出两侧的电气隔离，且输入输出侧需要体积笨重的滤波器，并且由于环流的存在会加大变换器的损耗。现有的大多数DC/DC变换器均是低压小功率的，无法用于高压大功率场合［9］；另一个影响直流输电系统的因素是直流侧短路故障的保护，在实际应用中，由于技术的不完善和高成本，高压大电流直流断路器仍未有成熟可行的产品［10］。

为了解决以上问题，一种基于模块化结构的“面对面”相连的DC/DC变换器得到了越来越多的关注和研究，这种拓扑结构有许多优点，例如：能够实现能量的双向流动、可进行电压和功率控制、通过变压器提供了电气隔离、较高交流频率减小了变压器和电容等元器件的体积、直流侧短路问题能够在很短时间内被有效解决［11］。本文首先介绍此种DC/DC变换器的拓扑结构和工作原理，在此基础上，从基本调制策略、子模块电容电压均衡策略、功率控制策略等方面提出了该拓扑结构的基本运行方式。最后，通过建立仿真模型和搭建实验平台，验证了所提出的基本运行方式的有效性。

1 “面对面”模块化多电平DC/DC变换器

1.1 拓扑结构

图1为“面对面”相连的模块化多电平DC/DC变换器的基本结构，与传统的“背靠背”相连的电路结构不同，该DC/DC变换器直接在2个MMC之间加入1个交流变压器，使2个MMC交流侧通过变压器互联在一起，两侧MMC通过变压器进行功率的传输，因此称此结构为“面对面”相连的结构。两侧MMC可以由单相或者三相构成，但原、副端MMC的相数必须一致。由于此种结构的变换器是依靠中间交流变压器作为功率转换媒介，并且中间交流媒介的是存在于变换器内部，不会对变换器外部的电网造成影响，因此可以适当提高中间交流电的频率，使其超过工频，从而可以减小交流变压器的体积和损耗，增大效率，减小成本。

图1 DC/DC变换器基本结构Fig.1 Generic structure of DC/DC converter

1.2 工作原理及故障管理

“面对面”相连的模块化多电平DC/DC变换器可以利用正弦波经由交流变压器对两侧的功率进行交换。因此，可以通过改变两侧MMC的调制比及变压器的变比从而改变两侧直流电压的变比。此方法的优点是可以根据传统的MMC控制策略对控制器进行设计，控制目标简单、可操作性强。

对于子模块的选择问题，子模块的参数和数量将直接决定MMC的电压等级和功率等级。MMC的子模块结构分为以下4种类型：半桥子模块结构［12,13］、全桥子模块结构、钳位双子模块结构CDSM（clamp double submodule）［14］、改进子模块结构，其中改进子模块结构的典型代表为串联双子模块结构SDSM（series-connected double submodule）［15］。由于“面对面”相连的DC/DC变换器本身具有直流侧短路保护功能，因此本文选用的子模块结构为半桥子模块结构，若要使交流侧电压相对于直流电压起到升压作用，则可以选用全桥子模块结构。

选用半桥子模块时，此结构发生交流侧短路故障和发生直流侧短路故障，分别如图2、图3所示。对于“面对面相连”的模块化多电平型高压DC/DC变换器，从图2中可以看出，当交流侧出现故障时，MMC会将所有子模块闭锁，使得短路电流只能经由半桥子模块的上管IGBT的二极管和子模块电容构成导通回路。若在短路通路中子模块电容电压之和大于直流母线电压，则在导通通路中的短路电流将立刻降为0。由图3可见，当副端MMC出现直流侧短路故障时，通过将两侧MMC的子模块全部闭锁，使得原端MMC在变压器上不会产生交流输出，即uac1电压为0，因而副端变压器不会有交流电压产生，使得直流侧短路电流迅速下降。

图2 AC故障Fig.2 AC Fault

图3 DC故障Fig.3 DC Fault

2 调制策略

由于载波移相调制技术PSC-PWM（phase-shifted carried pulse width modulation）不仅能够使MMC中每个子模块承载的功率得到均分，还能够使输出电压波形具有较低的谐波含量，这使得该技术在MMC中得到了广泛使用，因此本文选择PSC-PWM。

对于两侧MMC，每个桥臂存在N个子模块，每个子模块对应的三角载波依次错开 2π/N相角，每个子模块采用相同的正弦调制波与相应的载波相比较，从而对应每个子模块得到一个SPWM信号，将得到的调制波信号通过一定的逻辑和加入必要的死区时间后用以驱动每个子模块的2个IGBT，从而确定对每个子模块电容进行投入或切除。

不考虑运行前的预充电过程，即假设变换器在运行前已经对各子模块电容进行了预充电，根据MMC运行的基本原理，每个子模块电容电压相同，其值为Udc/N，按照MMC最低输出电压谐波载波移相调制法，上下桥臂的三角载波移相角为θ［16］。

3 控制器设计

3.1 电容电压平衡控制

本文的两侧MMC采用一种分层的电容电压控制策略，使得各级控制相互独立，并且不会造成互相影响。该控制策略由3部分组成：相平衡控制、桥臂平衡控制以及子模块平衡控制，其控制策略如图4所示。

图4 分层电容电压均衡策略Fig.4 Hierarchical voltage balancing strategy

相平衡控制主要用来控制每一相电路电压与直流侧电压保持平衡，其控制策略如图5所示。通过将这一相子模块电容电压平均值与给定Udc/N作比较，将得到的差值经过PI控制器得到环流的直流分量，并做为下一步给定进行控制。

图5 相平衡控制Fig.5 Phase balancing control

桥臂平衡控制主要是保证上下桥臂间能量的平衡，其控制策略如图6所示。上下桥臂的电容电压平均值进行比较，经过PI控制器后与该相电压参考信号相乘，得到环流的直流分量，其与相平衡控制得到的环流的直流分量加和并与实际的环流进行比较，得到的值再经过PI控制器后分别加到上下桥臂电压的调制波中。

图6 桥臂平衡控制Fig.6 Arm balancing control

子模块平衡控制主要是为了保证各子模块电容电压的平衡，其控制策略如图7所示。通过将桥臂上每个子模块的电容电压与桥臂电容电压平均值相比较，经比例控制器作用后乘以该桥臂电流的方向，作为一部分的调制量加到调制波中，使得同一桥臂的各子模块电容电压彼此跟随。

图7 子模块平衡控制Fig.7 Sub-module（SM）balancing control

3.2 功率控制

本设计采用瞬态电流控制法来对原、副端由单相结构的MMC组成的DC/DC变换器传输功率进行控制。这种控制方法通过在副端对变压器漏感电流进行控制，使其相位跟随副端相电压，从而使副端功率因数接近1，达到有功功率传递的最大化。这种控制方法实现简单且控制效果良好，同时对元器件开关频率的要求不高。该方法控制策略如图8所示，由于直流电压是通过直流电源给定的，此直流电压很稳定，因此直接对二次侧相电流进行控制，通过将二次侧相电流给定与相电压参考相乘并与二次侧相电流进行比较，得到的结果经过PR控制器得到调制量分别加到上下桥臂对应调制波中，从而实现对二次侧瞬态电流的控制。

图8 瞬态电流控制Fig.8 Transient current control

4 仿真及实验验证

4.1 仿真分析

搭建了模块化多电平型高压DC/DC变换器的单相仿真模型，其结构如图9所示。模型的原、副MMC的直流侧直接与直流电源相连，使直流侧的电压恒定，模型中每相含有2个桥臂，每个桥臂由3个子模块和一个缓冲电感构成，MMC各子模块采用半桥结构。仿真模型的主要参数如表1所示。

表1 仿真研究主要参数Tab.1 Simulation parameters

图9 仿真模型结构Fig.9 Structure of simulation model

图10为原、副端子模块电容电压波形。由图可以看到，电压波动为7 V左右，波动率为7%。图11为直流电压300 V、功率1 500 W的交流变压器侧稳态电压、电流波形。由于采用了最低输出电压谐波的调制策略，在每个桥臂子模块数为3时，交流侧的电压阶梯数为7，交流侧电压频率为100 Hz。原端相电流与相电压相位相同、副端相电流与相电压相位相反，这说明了功率由原端通过变压器传递到副端，改变原、副端电压与电流的相位关系即可实现功率的双向流动。

图10 原、副端子模块电容电压Fig.10 Primary and secondary submodule capacitor voltages

图11 原、副端相电压、相电流Fig.11 Primary and secondary phase voltages and phase currents

4.2 实验验证

搭建了一个小功率的实验样机平台，其总体结构示意如图12所示。直流电源为原端MMC供电，副端MMC将能量回馈给直流电源，实验中变压器原、副端变比为1:1，因此为了简化实验，用一个电感来等效变压器简化后的漏感。实验样机平台的实物如图13所示，其中每一侧MMC由主控制电路、子模块电路、散热器构成，主控制电路与子模块电路之间通过光纤进行通信。每一相上下桥臂分置散热器两侧，MMC每个桥臂最多可安装8个子模块，该实验每个桥臂2个子模块，每个子模块上的IGBT在散热器上固定，两片散热器中间为主控制电路，两片散热器依靠固定板进行连接固定。右侧为原端MMC，左侧为副端MMC，中间为桥臂电感和变压器等效的漏感，实验样机的主要物理参数如表2所示。

图12 实验样机结构示意Fig.12 Sketch map of prototype structure

图13 实验样机实物Fig.13 Experimental prototype

表2 实验研究主要参数Tab.2 Experiment parameters

图14为原、副端子模块电容电压波形。

由图可见，每一侧上下桥臂子模块电容电压是对称互补的，完成了桥臂间能量平衡的目标；每一侧同一桥臂的子模块电容电压之间是相互跟随的，且电压波动为10 V、波动率为6.67%。图15为直流电压300 V、功率1 000 W的交流变压器侧稳态电压、电流波形。由于该实验两侧MMC的直流电压是被直流电源所钳位，因此通过观察交流侧的相电压和相电流的波形来判断功率控制的有效性。

图14 原、副端子模块电容电压Fig.14 Primary and secondary submodule capacitor voltage

图15 原、副端相电压、相电流波形Fig.15 Primary and secondary phase voltage and phase current waveforms

由于设计功率为1 000 W，通过观察波形可以看到一次侧MMC交流相电压幅值约为150 V、交流相电流幅值为12.5 A，经计算功率为937.5 W，近似于1 000 W。

5 结语

本文研究了模块化多电平高压DC/DC变换器的基本工作方式和控制策略，从调制策略、电容电压平衡策略及功率控制策略3方面对控制器进行设计，提出了此种结构的DC/DC变换器的基本工作模式。仿真与实验结果验证了控制策略的可行性。

［1］Hamelinck C,De Loveinfosse I,Koper M.Renewable energy progress and biofuels sustainability［J］.Ecofys,London, 2012:450.

［2］汤广福,罗湘,魏晓光.多端直流输电与直流电网技术［J］.中国电机工程学报.2013,33（10）:8-17. Tang Guangfu,Luo Xiang,Wei Xiaoguang.Multi-terminal HVDC and DC-grid technology［J］.Proceedings of the CSEE, 2013,33（10）:8-17（in Chinese）.

［3］杨晓峰,林智钦,郑琼林,等.模块组合多电平变换器的研究综述［J］.中国电机工程学报.2013,33（6）:1-14. Yang Xiaofeng,Lin Zhiqin,Zheng Trillion Q,et al.A review of modular multilevel converters［J］.Proceedings of the CSEE,2013,33（6）:1-14（in Chinese）.

［4］温家良,吴锐,彭畅,等.直流电网在中国的应用前景分析［J］.中国电机工程学报.2012,32（13）:7-12. Wen Jialiang,Wu Rui,Peng Chang,et al.Analysis of DC Grid Prospects in China［J］.Proceedings of the CSEE,2012, 32（13）:7-12（in Chinese）.

［5］Xu She,Huang A Q,Lukic S,et al.On integration of solid-state transformer with zonal DC microgrid ［J］.IEEE Transaction on Smart Grid,2012,3（22）:975-985.

［6］Jovcic D.Step-up DC-DC converter for megawatt size applications［J］.Power Electronics,IET,2009,2（6）:675-685.

［7］Ferreira J A.The multilevel modular DC converter［J］.IEEE Trans.on Power Electron,2013,28（10）:4460-4465.

［8］A Schon and M M Bakran.A new HVDC-DC converter for the efficient connection of HVDC networks［C］.PCIM Europe,Nurnberg,2013.

［9］姚良忠,吴婧,王志冰,等.未来高压直流电网发展形态分析［J］.中国电机工程学报.2014,34（34）:6007-6020. Yao Liangzhong,Wu Jing,Wang Zhibing,et al.Pattern Analysis of Future HVDC Grid Development［J］.Proceedings of the CSEE,2014,34（34）:6007-6020（in Chinese）.

［10］Li Xiaoqian,Song Qiang,Liu Wenhua,et al.Protection of nonpermanent faults on DC overhead lines in MMC-based HVDC systems［J］.IEEE Trans.on Power Delivery,2013, 28（1）:483-490.

［11］Kenzelmann S,Dujic D,Canales F,et al.Modular DC/DC converter:comparison of modulation methods［C］.EPE/ PEMC Conference,Novi Sad,2012.

［12］杨云森，郭育华.单相模块化多电平变流器控制策略研究［J］.电源学报，2015，13（2）：88-93.Yang yunsen,Guo yuhua.Research on control strategy of single-phase MMC［J］.Journal of Power Supply，2015，13（2）:88-93（in Chinese）.

［13］王之赫，荆龙，吴学智，等.基于MMC的铁路功率调节器环流抑制策略［J］.电源学报,2014,12（6）：79-85.Wang Zhihe,Jing Long,Wu Xuezhi,et al.Circulating current suppressing strategy of railway power static conditioner based on modular multilevel converter［J］.Journal of Power Supply,2014,12（6）：79-85（in Chinese）.

［14］Qin J,Saeedifard M,Rockhill A,et al.Hybrid design of modular multilevel converters for HVDC systems based on various submodule circuits［J］.IEEE Transactions on Power Delivery,2015,30（1）:385-394.

［15］Zhang J,Zhao C.The research of SM topology with DC fault tolerance in MMC-HVDC［J］.IEEE Transactions on Power Delivery.Jun.2015,30（3）:1561-1568.

［16］Li B,Yang R,Xu D,et al.Analysis of the phase-shifted carrier modulation for modular multilevel converters［J］. IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（1）: 297-310.

Research on Modular Multilevel High Voltage DC/DC Converter

SHI Shaolei,LI Binbin,ZHANG Yi,XU Dianguo
（School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

Due to the modular configuration,modular multilevel high voltage DC/DC converter can obtain high voltage level and high power level by connecting submodules in series.The converter is suitable for high voltage and high power DC transformer applications.The DC/DC converter is a front to front structure constituting of two modular multilevel converters（MMC）.Because of its inherent DC fault isolation capacity,the DC/DC converter does not need a DC circuit breaker.Besides,the transformer between the two MMCs can support electric isolation.At present,studies based on the DC/DC topology structure are still at an initial stage.The basic operation mode has become the difficulty and the key point of the research.This paper detailedly describes the topology structure of modular multilevel high voltage DC/DC converter,and analyzes of the working principle of its inherent DC fault isolation capacity.Based on the topology,develops a controller according to modulation strategies,submodule capacitor voltages balancing methods and power control strategies.Finally,a single phase DC/DC converter simulation model has been established in Simulink of Matlab.An experiment of prototype has been designed and built to verify the validity of the basic operation mode and the power control method of the DC/DC converter.

DC/DC;modular multilevel converter（MMC）;capacitor voltage balancing strategies

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.110

：TM 46

：A

2015-08-01

国家自然科学基金重点项目（51237002）；国家自然科学基金面上项目（51477034）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51237002）and（51477034）