DC/DC/AC混合型MMC变换器控制策略分析与设计

魏 亮，马文忠，刘 勇，王 晓，赵华芳

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，青岛 266580）

DC/DC/AC混合型MMC变换器控制策略分析与设计

魏 亮，马文忠，刘 勇，王 晓，赵华芳

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，青岛 266580）

研究了一种可以实现电能不同形式综合利用的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器（MMC），该结构的变换器实现了电压变换功能的多样化。首先，分析了该种可以同时实现DC/DC与DC/AC混合电压变换的模块化多电平变换器拓扑结构；然后，利用功率正交原理，设计了DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器的闭环控制策略；最后，在给定交流负载侧交流电流的前提下，实现了各个桥臂子模块电容电压的均衡控制。仿真结果验证了所提出的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器电压变换功能的可行性以及控制策略的有效性。

模块化多电平变换器（MMC）；DC/DC变换器；DC/AC变换器；电容电压平衡

引言

随着能源的短缺和环境的恶化，我国的能源开发和利用己从传统能源向绿色可再生能源过渡，风能、太阳能等大规模可再生能源接入电网，有效解决了此问题，但其间歇性、随机性的特点，也为新能源的接纳提出了挑战。多端柔性直流输电技术作为可再生能源接入电网的有效手段，以其有功无功独立控制、无需滤波及无功补偿设备、可向无源负荷供电等优势，越来越受到电力行业的青睐。由于直流电网的电压等级尚未有统一标准，因此对于不同等级的直流电压，需要用DC/DC变换器进行互联。

针对大功率DC/DC变换器，国内外已经开展了相关研究，并卓有成效［1-4］。现有高压大功率DC/DC变换器有2种拓扑：多个小容量变换器模块串并联和模块化多电平变换器［5］。模块化多电平变换器MMC因其结构模块化、电平拓展方便等优点得到了深入研究，并在其调制策略、电容电压平衡、环流抑制、容错运行等方面取得一定的成果［6-13］。已被广泛应用在高压直流输电HVDC、风力发电等领域。传统直流变换器的容量小、系统级联困难等因素限制了直流变换在大功率场合的应用，而模块化多电平结构则可以克服传统系统容量拓展困难的问题。文献［14］分别设计了单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，阐述了2种变换器的拓扑结构、工作原理以及控制方式，对比了新型变换器的优缺点；文献［15］提出了2种基于模块化多电平的直流变换器结构，并在模块化多电平回路中注入高频电流来平衡子模块电容，通过将该种控制策略应用于直流模块化多电平变换器中验证了该控制策略的正确性；文献［16-17］提出一种双向全桥式模块化DC/DC变换器，并详述了其工作原理以及控制过程，但其结构中含有变压器，在正常工作时的功率损耗较大；文献［18］提出一种新型的模块化多电平DC/DC变换器（DC-MMC）具有能量双向流动以及故障阻断能力强等优点，其功率损耗小，内部无需变压器，且其结构为模块化的结构，易于实现电压等级的拓展，适合于大功率、高压大电流的场所。同时文献［18］实现了DC/DC变换过程中子模块电容电压均衡闭环控制。

因文献［18］中的电容均压控制策略给定的是外桥臂的电压调制波幅值，在实现DC/AC变换时，不能有效实现交流侧闭环控制输出。基于此，本文在给定交流侧电流的前提下，提出了一种可以同时实现DC/DC与DC/AC电压变换的控制策略，该控制策略能够有效均衡子模块的电容电压，实现系统的稳定运行。

1 DC/DC/AC混合型变换器结构框图

图1为DC/DC/AC两列结构框图，其中每一列由上、下两个桥臂级联而成（连接点o1，o2），每个桥臂又分为外桥臂和内桥臂，其外桥臂由k个全桥式的子模块（FB）级联而成，内桥臂中m个子模块的结构为半桥结构（HB）。图中，连接点o1、o2间的交流负载为Lr与Ra，是DC/DC/AC变换器正常工作时子模块的电容电压平衡所需的桥臂环流流通的路径；Ls与Cs为输入端的滤波器。输出端的滤波电感Lf具有足够大的电感值阻隔交流电流流入输出端，且其耦合电感的形式可以消除直流磁通；电容Cf用于消除由子模块开关器件动作而带来的高频电流。

图1 DC/DC/AC变换器的结构框图Fig.1 Structure block diagram of DC/DC/AC converter

2 DC/DC/AC混合型变换器工作原理

2.1 功率正交原理

根据傅里叶分解可知，非正弦的电压与电流可以用各个频率的正弦波之和表示，即

式中：V0和I0分别为电压和电流的直流分量；Vn、In为n次谐波有效值；ω为基波角频率；θn、φn为n次电压电流谐波初相角。

有功功率是电压与电流乘积在一个周期积分的平均值，然而不同频率的电流与电压的乘积在一个周期的积分值为0。因此，系统的有功功率可以表示为

因此，对于非正弦的电压与电流，不同频率的电压电流所产生的有功功率为0，即不同频率的电流与电压正交［15］。

2.2 DC/DC/AC混合型变换器工作原理

该变换器的工作原理可以看成一个DC/AC变换器与一个DC/DC变换器的叠加，因此可以分别作为DC/DC变换器、DC/AC变换器以及DC/DC/AC混合型变换器。实现DC/AC变换的原理与文献［8］中所述的工作原理相同。在正常运行条件下，为保证任意时刻各列桥臂中投入系统的子模块总数为n，一般系统的上桥臂与下桥臂的功率单元对称互补投入。因此为了实现DC/AC电压变换，同一列桥臂的内外桥臂交流电压应满足的条件为

则交流负载侧输出的交流电压为

当DC/DC电压变换时，电压转换比为

当0＜D＜1，0＜D′＜1，DC/DC工作于降压模式，外桥臂的子模块输出电压与内桥臂的子模块输出电压方向一致。当D＞1，D′＜0，DC/DC工作于升压模式，外桥臂子模块向系统注入负向电压。由此可见，外桥臂子模块为全桥结构的主要作用是实现DC/ DC能够灵活运行在降压或升压的工作状态。同时，在输入输出直流侧发生直流故障时，可以通过合理控制全桥子模块输出电压的极性来实现故障阻断，如输入侧发生故障，外桥臂注入负压来抵消输出端网络电压，输出侧发生故障，内桥臂注入正压来抵消输入端网络电压，从而该结构变换器具有直流故障的双向阻断能力［18］。

图1中DC/DC/AC混合型变换器正常工作的前提是子模块的电容电压保持平衡。为了平衡外桥臂与内桥臂子模块的电容电压，需要各个部分的子模块的电容充放电的总功率相同。图2为DC/DC/ AC混合型变换器正常运行的简化工作原理。其中细实线为实现DC/DC变换直流电流的流动路径，粗实线是实现DC/AC变换所需的直流电流的流动路径，点线为交流电流的流通路径。实现DC/DC电压变换时，流经外桥臂的直流电流为，内桥臂的直流电流为，实现DC/AC变换时的直流每列桥臂的电流为。由此可见，内桥臂子模块的实际直流电流的方向主要取决于。

图2 DC/DC/AC变换器工作原理Fig.2 Working principle of DC/DC/AC converter

为了简化分析，本文做如下假设：每个桥臂的子模块数足够多，合成的交流电压为理想的正弦电压；系统电流电压的交流成分主要为基频成分；系统电阻忽略不计；Lf电感值足够大，其输出端的电流基本不含交流成分。内外桥臂可等效为理想电源，流经外桥臂的直流电流为，内桥臂的直流电流为，根据功率正交原理，为了保持内外桥臂的功率平衡，交流电流的充放电功率与直流电流的放充电功率相等，即应满足的功率方程为

式中：V1k为外桥臂基频电压相量，V1k=（/2）∠θV；I1k为外桥臂基频电流相量，I1k=（/2）∠θ1；V1k·I1k为外桥臂基波相量点乘；。当变换器运行于DC/AC模式，iin=0；当变换器运行于DC/DC模式，id=0。

3 DC/DC/AC混合型变换器控制策略

图3为DC/DC/AC混合型变换器正常工作的平衡电容电压的闭环控制框图。系统中内、外桥臂能量主要通过流入的电流交换能量，所以系统需要通过内外桥臂的耦合控制来平衡子模块电容电压并实现系统的稳定输出。文中给定桥臂电流，为了实现变换器的DC/DC/AC电压变换输出，桥臂给定交流电流与实际交流电流的差值经过比例谐振调节器PR生成内桥臂的电压给定值，外桥臂的电压是由内、外桥臂子模块的电压差经比例积分调节器PI后给定。对内、外桥臂的输出控制采用APOD SPWM和电容选择排序的调制策略。

图3 DC/DC/AC变换器控制策略框图Fig.3 Block diagram of control strategy of DC/DC/AC converter

文献［18］中给定外桥臂交流电压值，为实现系统DC/DC电压变换，内桥臂为双闭环控制（子模块电压外环，桥臂电流内环），相对于文献［18］，本文的控制策略不仅可以实现文献［18］系统的DC/ DC电压变换控制，而且可以同时实现DC/AC电压变换。

4 仿真分析

在PSCAD中搭建了两列式DC/DC/AC混合型变换器模型。模型中每桥臂由4个子模块（m=k= 4）组成。桥臂的交流电压基频频率为50 Hz。桥臂电感La为2.5 mH，电容为2 mF，各电容的电压为2.2 kV，直流输入侧的滤波电容电感分别为Ls=0.5 mH、Cs=40 μF，输出侧的滤波电容电感为Lf=1 H、Cf=15 μF。直流侧输入电压为17.6 kV，直流负载电感为20 mH、电阻为10 Ω，电压转换比D=0.5。系统给定的各个部分的上桥臂交流电流的幅值为1.1 kA，即交流负载侧的交流电流幅值为2.2 kA。此时，理论计算结果为

式中：Uout为直流输出侧电压；iout为直流输出侧电流；iin为直流输入侧电流。

4.1 DC/DC电压变换

交流环路中Lr=0.5 mH，且为固定值时，id=0，即为文献［17］中的DC/DC变换器。图4为本文控制策略时的DC/DC系统仿真波形。由图可见，该控制策略能够在均衡子模块电容电压前提下，实现系统的直流电压变换，且能够跟踪控制策略给定的桥臂电流。

图4 DC/DC变换器的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of DC/DC converter

4.2 DC/DC/AC电压变换

DC/DC/AC混合型变换器的仿真波形如图5所示。

图5 DC/DC/AC混合型变换器的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of DC/DC/AC hybrid converter

交流负载为0.5 mH、电阻为2 Ω，即交流负载为阻感性负载。此时，id为

系统总直流输入电流为

每一列中外桥臂子模块的直流充电电流为

每一列中内桥臂子模块的直流充电电流为

由图5可见，直流输入、输出电压约为17.6 kV、8.8 kV，输入、输出电流约为0.99 kA、0.88 kA，耦合电感两侧的电流均为。交流负载侧输出电流幅值约为2.2 kA。且各个子模块的电容电压基本维持在2.2 kV左右。

5 结语

本文所提DC/DC/AC变换器可实现不同形式的电压转换，有利于不同形式电能的综合利用，而子模块电容电压的平衡控制是模块化多电平变换器的控制重点和难点，其本质是保证电容充放电能量保持平衡，利用功率正交原理，本文在给定交流负载电流的前提下，提出了一种平衡子模块电容电压的控制策略。通过在时域仿真软件PSCAD/ETDC中搭建DC/DC/AC变换器模型，仿真结果验证了本文结论和控制策略的正确性。

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Analysis and Design of Control Strategy for DC/DC/AC MMC Converter

WEI Liang,MA Wenzhong,LIU Yong,WANG Xiao,ZHAO Huafang
（College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum（East China）,Qingdao 266580,China）

A novel DC/DC/AC converter based on modular multilevel is studied,which can not only realize comprehensive utilization of different forms of electrical energy,but also achieve the function of converter voltage transform diversification.First,this paper analyzes the topologies of the converter based on modular multilevel which can simultaneously realize DC/DC and DC/AC hybrid voltage transform.Then,according to the power orthogonal principle, this paper designs a closed loop control strategy of DC/DC/AC converter.Finally,on the premise of a given current of AC load side,the capacitor voltage balance of each bridge arm is implemented.The simulation results validate the voltage transformation function of the DC/DC/AC hybrid converter based on modular multilevel and the feasibility of the control strategy is effective.

modular multilevel converter（MMC）;DC/DC converter;DC/AC converter;capacitor voltage balance

魏亮

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.124

：TM 46

：A

魏亮（1991-），男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术与智能电网技术，E-mail:649129722@qq.com。

马文忠（1968-），男，通信作者，博士，教授，硕士生导师，研究方向：电力电子技术与智能电网技术，E-mail:mawen zhong@126.com。

刘勇（1992-），男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术与智能电网技术，E-mail:3041079012@qq.com。

王晓（1992-），女，硕士研究生，研究方向：电力电子技术与智能电网技术，E-mail:948598277@qq.com。

赵华芳（1990-），男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术与智能电网技术，E-mail:240583698@qq.com。

2015-08-10

山东省自然科学基金资助项目（ZR2010EM011）；研究生创新工程资助项目（YCX2014054）。

Project Supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation of China（ZR2010EM011）；Graduate Student Innovation Project（YCX2014054）