模块化多电平换流器的环流控制策略

周国威

(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

1 引言

随着近年来电力电子技术的高速发展，基于电力电子技术的电力器件、控制策略等呈多元化发展，其中轻型直流输电技术在电力系统中的应用发展最为迅速。在轻型直流输电系统中，基于全控型电力电子器件(IGBT等)和PWM技术的电压源型换流器(Voltage Source Converter，即 VSC)得到广泛应用和快速发展[1，2]。由于轻型直流输电系统能够独立有效控制有功功率和无功功率，并且可在无源逆变方式下运行工作，因此相比传统直流输电系统而言，其更易进行模块化设计和构成并联的多端直流输电系统。

轻型直流输电系统中原有换流器存在固有缺陷，为了弥补缺陷并提高换流器的性能，直流系统广泛采用两电平或三电平换流器。考虑到单器件耐压水平和容量有限，将若干功率器件通过串并联，就可以实现大功率应用。但是该方法输出特性较差，因此该方法要求开关器件固有参数和运行环境具有一致性。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称MMC)的发展和应用，使得上述存在的问题能够有效解决。德国学者提出“MMC”的概念[3，4]，其基本原理是子模块电压叠加得到电压输出，该输出谐波量少，因此适用在轻型直流输电系统中。Trans Bay Cable工程是基于MMC的直流输电工程，其额定功率为400MW;同时亚洲首条轻型直流输电示范工程，也于2011年在上海南汇风电场投入运行，其运行的电压等级为±30kV，其输送容量达到 20MW[5，6]。

首先介绍MMC基本工作原理，考虑到换流器固有特性，在此基础上建立MMC的等效模型，并提出一种改进的环流控制策略，最后在Matlab/Simulink中对该控制策略进行仿真验证。

2 MMC结构及工作原理

图1为模块化多电平换流器的等效拓扑图。如图所示，每个换流器分为三个相单元U、V、W，每个相单元包括一上、一下两个桥臂，分别用P、N代表。同时每个桥臂由N个结构相同的子模块(Sub－module，SM)和一个电抗器L构成[7－9]。串联电抗器能够抑制相间环流和冲击电流，提高系统的可靠性。

图1同时给出了子模块的基本电路，它是由两个IGBT(VT1、VT2)串联、两个二极管(VD1、VD2)反并联和一个并联电容器构成。Ucj(j=1～N)表示电容器电压，Uj(j=1～N)表示子模块两端电压，i表示流入子模块的电流，各变量的参考方向，如图中所示。

子模块运行状态分为三种:投入状态，此时VT1导通，VT2关断，同时子模块输出电压为Ucj;切除状态，此时VT1关断，VT2导通，同时子模块输出电压为零;闭锁状态，此时VT1、VT2都关断(正常运行时，不允许出现此种工作状态)。

图1 MMC基本拓扑图和子模块基本结构图

由以上分析可得出，只要对每个SM上下两个IGBT的开关状态进行合理地控制，就可以实现投入或切除该SM，进而实现交流侧电压的多电平输出。MMC换流器每相上、下桥臂各有N个子模块，每相可产生的电平数最多为N+1个。

各个子模块的直流侧电容电压是用来支撑直流母线电压的，为使直流侧电压波形不发生畸变，任意时刻每个相单元都必须有N个子模块运行在投入状态下。当上桥臂切除某个子模块，同时下桥臂需要投入一个子模块。因此，相单元上桥臂和下桥臂的工作情况是需要对称运行的。

3 MMC数学模型

图2表示MMC换流器单端系统等值电路。

图2 MMC等值电路

其交流侧由交流电压源、电阻和电感构成。两个受控电压源分别等效直流侧各子模块构成的上、下桥臂电压。MMC直流侧正母线用P点表示，MMC直流侧负母线用N点表示，直流侧假想中性点用O点表示。UD为直流侧电压，UU为交流侧电压。流经各桥臂的电流方向如图所示。

由于三相对称电路具有对称性，因此只分析U相工作情况即可。设iPU、iNU分别为U相上、下桥臂电流，iU为U相交流侧相电流，流经换流器上、下桥臂的内部电流称内部环流，设为icir，则电路关系为:

U相内部环流表达式为:

UPU、UNU分别表示U相上、下桥臂所有子模块叠加的桥臂电压，其表达式为:

经过推导，MMC交、直流侧模型电压表达式为:

4 环流控制策略

4.1 子模块电容电压平衡控制策略

在MMC系统中，直流侧电压是由各子模块支撑的，因此平衡控制各子模块电容电压对抑制内部环流意义重大。用调节子模块电容充放电时间的方式来平衡各子模块电容电压。

函数y=sign{x}表示，当 x≥0时，y=1;当 x≤0时，y=－1。以桥臂电流方向确定输出参考分量的极性。当Ucj小于时，子模块充电。当电流方向为正，正的稳压信号可以增加子模块充电时间;当电流方向为负，负的稳压信号可以减少子模块放电时间。当小于Ucj时，子模块是放电状态，控制原理与上述情况对称。

图3 电容电压平衡控制

4.2 子模块电容电压均衡控制策略

除调节各子模块电容电压充放电时间外，还应保证每个相单元上的各子模块电容电压是平均分配的，这样在投入或切除子模块时，会保证三相桥臂电压保持对称，进而避免内部环流的产生。

图4 电容电压均衡控制

设UU表示MMC交流侧的输出电压，UD表示MMC直流侧的电压，则U相上、下桥臂的电压参考值和分别表示为

4.3 改进的环流控制策略

采用子模块电容电压平衡及均衡控制策略，进行初步仿真验证，结果表明以上两种控制策略能够一定程度上抑制环流畸变，但环流中二倍频成分较大，具体见图7(a)。由前文分析可以得出，MMC的内部环流是由于各相单元之间电压不对称导致的，它在MMC三相相单元之间流动，与交流侧系统互不影响。因此，为了进一步抑制环流中的二倍频成分，本文在子模块电容电压平衡及均衡控制策略基础上，引入环流解耦控制，如图5所示。

将一相的桥臂电流 ipj和inj(j=u、v、w)相加之后除以2，得到其内部环流 icirj，经过坐标变换后得到MMC内部环流的dq轴分量i2fd和i2fq，将它们与环流dq轴分量的参考值i2fd_ref和i2fq_ref做差比较后，经过比例积分调节器，再引入电压前馈量以消除dq轴耦合部分，即可得到内部不平衡电压降的dq轴参考值ucird_ref和u cirq_ref。最后经过逆变换得到期望的三相内部不平衡电压分量参考值

图5 环流解耦控制

获得上、下桥臂电压参考值表达式后，就可以配合相应的调制方式控制各子模块的开通与关断。

5 仿真验证

在Matlab/Simulink环境下搭建图2所示的MMC模型。在MMC模型中，每相由10个子模块组成，上、下桥臂各5个子模块。其参数为:直流电压UD=5kV;子模块电容C=4.7mF;子模块的电容电压参考值为uC

*=1kV;等效电阻 R=5Ω;交流侧等效电感 L=10mH;桥臂电抗L=5mH。仿真结果如图6所示。

图6 U相上桥臂子模块电容电压

仿真模型中，子模块电容电压参考值选取为1kV，由图6可以看出，电容电压值基本稳定在参考值附近，波动范围为±8%左右，电容电压波峰略显尖锐。

图7 U相内部环流

图7分别展示了改进的环流控制策略投入前后，U相内部环流的波形情况。比较(a)和(b)可得，电压平衡及均衡控制投入前环流成分较复杂，幅值较大;电压平衡及均衡控制投入之后，环流基本稳定，幅值明显减小，频率成分以二倍频为主。比较(b)和(c)可得，将环流解耦控制投入之后，环流幅值进一步减小，二倍频成分有效滤除，基本验证了控制方法的有效性。

图8 直流侧电流

图8所示为直流侧电流波形，可以看出，直流侧电流在经过两个周期波动之后，基本趋于稳定。

图9为交流侧单相及三相电压电流波形，由(a)和(b)可以看出，利用前述控制方法搭建的仿真模型基本实现了交流侧相电压的多电平输出，交流侧电压、电流波形正弦性良好，随着电平数的增加，电压、电流波形的正弦性会更加良好。

图9 交流侧电压及电流

由(c)和(d)可以看出，在采用改进的环流控制之后，交流侧三相电压、电流能够实现多电平输出，且正弦性良好，呈对称状态。

6 结论

针对换流器内部环流问题，建立了以电压平衡及均衡控制策略为基础的仿真模型。在此基础上，对控制策略进行了改进，加入环流控制策略，并进行了仿真验证，结果表明，改进后的环流控制策略能够有效地抑制环流波动，理想地实现了MMC系统交流侧电压、电流的多电平输出，具有出色的控制效果。

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