模块化多电平变流器实验样机的设计

武 文，荆 龙，吴学智，苑晓垚

（1.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京100044；2.北京电动车辆协同创新中心，北京100044）

模块化多电平变流器实验样机的设计

武 文1，荆 龙1，吴学智1，苑晓垚2

（1.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京100044；2.北京电动车辆协同创新中心，北京100044）

MMC已经成为工业界与学术界的研究热点，仿真分析虽然灵活方便，但有时与实际工况存在差距。首先设计了三相9电平MMC实验样机；然后遵照模块化的原则，设计了子模块；控制系统使用分层的构架，实现了不同层级的控制与保护；再利用载波移相、电压均衡控制及PR调节器实现了电容均压及环流抑制。最后通过实验验证了样机的性能。利用该平台能够为MMC的研究提供一个方便有效的手段。

模块化多电平变流器（MMC）；实验样机；控制系统；子模块

引言

伴随大功率可关断电力电子器件应用技术的迅猛发展，基于电压源逆变器VSC（voltage source converter）的直流输电技术逐渐被世界各国应用到输配电网络中［1-2］，在我国这种技术又被称为柔性直流输电技术。其中，基于模块化多电平技术MMC（modular multilevel converter）拓扑结构的研究更是得到了国内外学者和工业界的青睐。因为传统两电平或者三电平VSC需要将多个电力电子器件直接串联以达到所需电压等级，不仅会在换流阀及与交流系统连接的电抗上产生较大的电压、电流应力和电磁干扰，还会产生大量谐波［3］。而模块化多电平换流器采用模块化设计，不仅可以有效提高换流器承受的电压等级，还可以避免上述两电平和三电平VSC的不足［4］。

目前，针对MMC的研究工作主要侧重于MMC的数学建模和控制策略的研究［5-8］，文献［9］研究了MMC的硬件结构。但是，有时为了节约开发成本、缩短研究周期和一些实际条件的限制，对于一些研究结果的验证多数情况下是通过仿真手段来实现的，而仿真结果往往会和实际情况有出入和差别。在此背景下，文中设计了1台功率10 kVA的MMC实验样机，为有效地、正确地研究MMC系统特性提供一个实验平台，最后通过实验验证了该实验样机设计的合理性。

1 MMC拓扑结构和主电路

三相MMC拓扑结构如图1所示，它由6个桥臂组成，其中每相包括上、下2个桥臂，每个桥臂由N个子模块SM（sub-module）和1个桥臂电感串联构成，上、下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的输出端。子模块SM由1个IGBT半桥和直流电容构成。它具有2种输出电平，假设SM的电容电压保持为E，当T1开通，T2关断时，子模块投入使用，输出电压为E；当 T1关断，T2开通时，子模块切除，输出电压为0，这样子模块通过一定规则的投切动作即可在交流侧获得多电平的输出。

图1 MMC拓扑结构Fig.1 Topology structure of MMC

图2是MMC实验样机的主电路接线示意。为方便实验接线与调试，MMC的交、直流侧均连接至同一条380 V交流电源母线上：直流电源经调压器、整流桥和滤波电容产生；交流侧通过调压器和隔离变压器T接入MMC系统，图中BK1与BK2分别是交、直流侧的空气开关，用来控制380 V交流电源的接入与切除。同时在直流侧增设了2个熔断器F1、F2来保护系统的安全运行，必要时可以防止故障范围扩大，减小不必要的经济损失。J1-J4均为接触器，可由上层控制器直接控制，J1、J2用于交流侧预充电控制，J3、J4用于直流侧预充电控制。

图2 MMC样机系统主电路接线Fig.2 Main circuit configuration of prototype of MMC

2 子模块单元设计

子模块作为MMC系统的基本单元其地位非常关键，子模块设计的成功与否直接关系到整个变流器性能的优劣。

本文在设计实验装置时，为了能够更好地模拟应用，采用工程应用的集成控制器的子模块设计思路，设计的子模块单元的结构，如图3所示。从图3可以看出，子模块电路结构主要分成2部分：功率电路和控制电路两部分。右侧为功率电路，左侧为控制电路，然后通过光耦进行隔离，以避免功率部分的噪声对控制电路产生影响。

功率电路的核心是由智能功率模块IPM组成的半桥拓扑和直流电容，再加上外围的吸收电路、采样电路、放电电路、旁路电路以及电压检测电路等组成，实现了子模块工作状态检测、电压采样和保护闭锁等功能；控制电路的核心是可编程的CPLD，再配合外围的接口电路、驱动电路、保护电路等实现子模块的控制和保护功能，包括死区发生、IGBT的驱动和保护、状态判断和指示、子模块旁路等。需要注意的是，保护电路一方面可以接收来自控制器的保护命令，向驱动电路发出封锁信号，即为控制器保护（软件保护）；另一方面可以判断采样电路发送来的电压、电流信息若超过安全值，则向驱动电路发送封锁信号，并产生故障事件发送给控制器，同时通过自身的逻辑电路判断故障类型，等待控制器查询，即为硬件保护。这两套机制的组合使得子模块既能够迅速处理本地故障，并将故障事件上报控制器，又可以响应上层控制器发送的保护命令。

在设计上，控制电路和上级控制器没有电气上的联系，通过光纤连接的形式使变流器总控制器和子模块内的控制部分连接起来。考虑到未来可能的功能拓展，在子模块中预留了1路光纤接口和4路数字接口。图4是子模块实物，各部分电路在图中已明确标出。

图3 子模块结构框图Fig.3 Prototype of sub-module

图4 子模块电路板Fig.4 Sub-module card

3 控制系统设计

3.1 硬件系统结构设计

MMC样机的整体控制系统如图5所示，系统采用三层控制结构，分别通过人机界面系统、主控制器和子模块控制器实现。这种改进的分层控制系统解决了传统控制系统同步性以及可靠性较低等问题，能有效提高实验装置运行的效率的稳定性。

图5 控制系统架构Fig.5 Architecture of control system

人机界面完成系统电压电流等信号的显示以及有功和无功的控制；主控系统MCS（main control system）接收上位机有功无功物理量等参考值，产生子模块状态控制信号（CTR）和PWM脉冲；子模块控制器SMC（sub-module controller）完成PWM脉冲的分配以及保护。MCS采用双DSP与双FPGA，SMC的处理芯片为复杂可编程逻辑器件CPLD（complex programmable logic device）。具体各层之间的通信内容见表1。

表1 各层之间通信内容Tab.1 Communication contents between levels

3.2 控制策略设计

变流器网侧采用网压定向控制，定旋转坐标系下d轴与电压矢量重合，则MMC变换器在dq坐标系下的电流方程［10］为

功率方程为

式中：ed、eq为电网电压在dq坐标系下分量；ud、uq为换流器网侧输出电压在dq坐标系下分量；p为微分算子；P、Q为变流器输出有功功率和无功功率。

图6为控制策略实现框图。外环控制器生成d轴和q轴电流参考值和参与电流解耦控制，电流内环控制引入电压前馈项，提高了内环控制器跟踪速度。内环电流解耦控制器的输出量vrdef和vrqef为参考电压的d轴、q轴分量，其经过反变换后得到期望变流器输出的正弦参考电压［11］。参考调制波加入电容电压均衡和环流抑制策略叠加量，经过载波移向调制输出PWM脉冲信号。

图6 控制策略实现框图Fig.6 Control strategy of MMC

本文MMC系统采用一种基于载波移相调制策略的闭环均压控制策略［12］，包括每一相电容电压平均控制和每个子模块电容电压平衡控制，具体控制框图如图7所示。电压外环采用PI调节器，控制各相桥臂中直流电容电压平均值跟踪参考值；内环为环流控制，控制实际环流跟踪环流参考值。子模块电容电压平衡控制采用每相桥臂的8个模块电容电压与模块电容电压参考值相比较，所得偏差经比例调节器P后，根据桥臂电流方向得到稳压控制下的电容电压修正量。

图7 电容电压均衡控制Fig.7 Balance control of capacity voltage

环流抑制策略的实现依靠2个部分：首先采用基于二阶广义积分器的方法对2倍频分量进行提取，然后该交流分量与参考值作比较经过PR调节器后获得用于抑制环流的调制波，再将其叠加到原有调制波上，从而可达到抑制环流的效果，为实现环流抑制的效果，环流指令icirref给定为0，具体控制策略框图如图8所示。

图8 环流抑制策略Fig.8 Circulating current suppressing strategy

4 实验验证

4.1 MMC实验样机参数

为了测试设计的三相9电平MMC实验样机的特性，对其进行了实验验证。实验样机主电路参数如表2所示。实验样机图如图9所示。

表2 MMC样机系统参数Tab.2 Power Circuit Parameters

图9 10kVA MMC实验样机Fig.9 10 kVA MMC experimental protoptype

4.2 均压与环流策略验证

电容电压平衡效果如图10所示。从图10中可以看出，t0时刻投入电容电压控制策略后，每个子模块的电压波动较小，较好地实现了各个模块电容电压的平衡。图11是电容电压稳定后A相上下桥臂电流及环流波形，由图可以发现，环流主要为2倍频交流量成分，其叠加到桥臂上后增大了桥臂电流。而在t1时刻启动环流抑制策略后环流成分基本消除，同时桥臂电流明显减小。2次实验通过均压与环流抑制策略的实现不仅从表明了样机结构设计合理性，还表明该样机可以用来验证MMC的控制手段是否有效。

图10 电容电压平衡效果Fig.10 Effectiveness of additional balancing control

图11 环流抑制效果Fig.11 Effectiveness of circulating current suppressor

4.3 功率阶跃实验

在直流侧电压升至额定值650 V、交流侧并网的条件下，通过给定有功电流指令和无功电流指令的变化，来完成功率的突变。图中Ua是网侧A相网压，ia是A相输出电流，iap与ian分别是A相上下桥臂电流。图12为有功功率阶跃实验波形，t3时刻维持无功电流指令为0不变，有功电流指令由0 A突变到10 A，此时桥臂电流和输出电流经过约0.08 s的暂态过程达到稳定。图13为工况突变实验波形。在t4时刻无功电流指令降为0，有功电流指令由0 A突变到-10 A，同样经过一短时的暂态过程输出电流与桥臂电流达到稳定。通过该功率阶跃和工况突变实验可以看出设计的MMC实验样机能够在不同工况下实现稳定运行，进一步表明了样机设计的合理性。

图12 有功阶跃波形Fig.12 Waveforms of active step power response

图13 无功反转波形Fig.13 Waveforms of reactive power inversion response

4 结语

针对MMC研制出了1台三相9电平MMC实验样机。样机的子模块采用模块化设计，使得维护更换极为方便，更增加了设计的简单和使用的方便性，同时其自带控制器的设计方案，使得子模块的控制更加灵活，功能拓展性更巧，便于实现对故障子模块故障定位。而样机整个控制系统的设计采用三级分层控制，有效降低了主控制器与子模块单元之间的通信压力，提高了控制系统的可靠性与效率。最后在样机上进行了一系列的稳态与动态实验，实验结果表明了实验样机各项性能符合设计要求，为MMC的特性与控制技术的研究提供一个可靠且有效的平台。

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武文

石绍磊

作者简介：

石绍磊（1991-），男，通信作者，硕士研究生。研究方向为模块化多电平DC/ DC变换器，E-mail:373841185@qq.com。

李彬彬（1989-），男，博士研究生，研究方向为模块化多电平变换器E-mail: libinbinhit@163.com。

张毅（1990-），男，硕士研究生。研究方向为模块化多电平DC/DC变换器E-mail:zysean@163.com。

徐殿国（1960-），男，教授，博士生导师。研究方向为电力电子技术及应用、交流伺服控制系统、照明电子技术、机器人控制技术、电网品质控制技术、柔性直流输电技术，新能源发电技术等，E-mail:xu diang@hit.edu.cn。

Design of Modular Multilevel Converter Prototype

WU Wen1,JING Long1,WU Xuezhi1,YUAN Xiaoyao2
（1.National Active Distribution Network Technology Research Center（NANTEC）,Beijing 100044,China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）

Modular multilevel converter（MMC）has become the industry and academia research focus.Although simulation is flexible,but sometimes there is a gap with the actual working conditions.First a prototype of MMC with nine level output voltages is designed and implemented.In accordance with the principle of modular designed sub-module,and control system using a layered architecture to achieve the different levels of control and protection,then use carrier phase shifting,voltage balanced control and PR control strategy achieve a capacitive pressure and circulation are suppressed. Experiment results show that the MMC prototype can run in the normal state,the power step respond is quick and verify the design of MMC prototype is reasonable.

modular multilevel converter（MMC）;experimental prototype;control prototype;sub-module

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.117

：TM 46

：A

武文（1992-），男，通信作者，硕士研究生，从事电力电子与柔性直流输电研究，E-mail：14121482@bjtu.edu.cn。

荆龙（1977-），男，博士，讲师，从事新能源发电与柔性直流输电方向研究，E-mail：ljing@bjtu.edu.cn。

吴学智（1975-），男，博士，副教授，从事电力电子与新能源发电技术方向研究，E-mail：xzhwu@bjtu.edu.cn。

苑晓垚（1990-），男，硕士研究生，从事电力电子与柔性直流输电方向研究，E-mail：13121496@bjtu.edu.cn。

2015-09-10

北京市科委资助项目（D141100001714001）

Project Supported by Programs of Science and Technology Commission Foundation of Beijing Province（D141100001714001）.