模块化多电平换流器电容电压均衡控制策略研究

马 尚，王 毅

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），河北保定 071003）

模块化多电平换流器电容电压均衡控制策略研究

马 尚，王 毅

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），河北保定 071003）

模块化多电平换流器（MMC）中各个子模块的电容电压均衡问题亟待解决。在分析MMC拓扑结构及其工作原理的基础上，结合载波移相调制方法，提出了一种基于PI控制器的电压均衡控制策略。该策略包括平衡电容电压和抑制桥臂环流两部分，通过调整调制信号的波形，进而改变各个电容的充放电时间，使电容电压保持一致并跟踪其给定值。该控制策略无需对所测得的电容电压进行排序，减少了IGBT的开关频率，大大降低了系统损耗。最后，在Matlab/SimulinK仿真平台上对MMC系统进行验证，结果表明控制策略正确有效。

MMC；开关频率；载波移相调制；电容电压均衡

0　引 言

随着电力电子器件容量的不断增加和国家智能电网的快速发展，将电力电子器件应用于高压大功率场合已经成为其未来的发展趋势。电压源型高压直流输电系统（VSC-HVDC）控制灵活［12］，广泛应用于海上直流输电。目前已投运的VSC-HVDC工程多为两电平或者三电平拓扑结构［34］。为了达到所需的电压等级，通常需要直接将多个IGBT串联，由此会带来开关损耗大，静、动态均压困难，电磁干扰以及开关一致性要求高等一系列问题［56］。为解决上述问题，学者提出了一种新型的换流器拓扑结构，即模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）。

MMC采用模块化设计，通过调整串联子模块的数目，可以实现电压及功率的灵活变化，减少电磁干扰和输出电压的谐波含量，使输出电压波形非常平滑且接近正弦波［78］，从而可以省去大容量的交流滤波器，有效节省成本。在器件的开关频率降低的同时，开关损耗也相应减少，而等效的开关频率得到大幅提升。但MMC将能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中，因此在动态运行过程中实现对电容电压的均衡控制是急需解决的关键问题之一。

针对MMC的均压问题，目前多数文献采用基于排序的电容电压均衡算法［910］。该算法会导致MMC在各子模块间电压偏差并不大的情况下，触发脉冲也必须重新作出调整，导致IGBT的反复投切，增大器件的开关频率。文献［4］得到了电容电压参数设计的表达式，且提出了一种引入附加开关点的电容电压平衡控制策略，但并没有提出相应的MMC调制方法。文献［8，11］提出了无需排序的电容电压均衡控制策略，但是对MMC的调制方法同样没有做详细的描述。文献［12］得出了MMC电容电压均衡控制策略，但其MMC输出电平数为n+1，电平数较少。

本文介绍MMC的拓扑结构及其工作原理，结合载波移相调制（carrier phase-shifting SPWM，CPS-SPWM）方法的基本原则，提出了一种在电压参考信号的基础上叠加由控制环节得出的电压平衡控制量的电容电压均衡控制策略。通过合理调整电容的充放电时间，使各子模块电容电压的偏差处于可以接受的范围内，同时对桥臂环流也有明显的限制作用。MMC输出电平数目为2n+1，有效提高子模块的利用率。

1　MMC的拓扑结构与工作原理

MMC的主电路结构和单一子模块结构如图1所示。三相MMC由6个桥臂组成，每个桥臂由若干个结构相同的子模块（sub module，SM）与1个电抗器L相互串联构成。上、下两个桥臂构成1个相单元。每个子模块由两个反并联二极管的IGBT串联后再与直流电容并联构成。MMC采用模块化设计，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是相同的。本文所涉及的公式与控制框图，如不做特殊说明均以a相为例。

图1　MMC主电路结构

如图2所示：UC为子模块电容电压；iSM为该子模块所在桥臂上流过的电流；USM为子模块输出电压。当电流iSM流过子模块上侧的T1或者D1时，此时子模块电容在电流iSM的作用下充电或放电，称为“投入”状态，USM=UC，且规定T1导通，T2关断；反之，当电流iSM流过子模块下侧的T2或D2时，此时子模块电容电压保持不变，称为“切除”状态，USM=0，T1关断，T2导通。正常运行状态下T1、T2互补开通。工作状态如表1。

图2　子模块结构

表1　子模块工作状态表

由于桥臂上、下两侧及三相之间具有对称性，a相输出电流在上、下桥臂平均分配，取1/2直流侧电压处为中性点o，如图3。直流侧P点和N点相对了中性点o的电压分别为Udc/2和-Udc/2，则a相上、下桥臂的电压和电流分别为

式中：Udc为直流侧电压；uao为a相输出电压；ia为a相输出电流；iza为a相环流。

2　MMC的调制方法

载波移相调制策略的基本原理是用正弦参考信号与多组相位相互错开一定角度的三角载波比较，生成各子模块的驱动信号。为了保证MMC的输出电平数目为2n+1，应使上、下桥臂的正弦调制波相互反向，而对应位置子模块的三角载波相位相同。

图3　MMC相单元结构

分析图6所示的单个子模块输出电压与a相输出电压，容易得出MMC系统输出侧的等效开关频率为子模块开关频率的10倍。因此，载波移相调制方法可以大幅度提高系统等效开关频率。

图4　上桥臂调制波、载波及其输出电压

图5　下桥臂调制波、载波及其输出电压

图6　单个子模块电压及单相MMC输出电压

其他两相的调制方法类似，只需将正弦调制信号移动120°，三角载波保持不变。

3　MMC的电容电压均衡控制策略

由于各个电容充放电时间不一致会使电容电压产生较大波动，单独采用载波移相调制策略不能保证MMC的平稳运行。而电容电压不一致会造成上、下桥臂子模块的输出电压之和与直流侧电压不完全相等，产生一个流过上、下桥臂且频率2倍于基波频率的环流［10］。该环流的存在会增大桥臂电流的峰值，增加器件的额定容量和系统的损耗，同时也会进一步加剧电容电压的不平衡。因此有必要设计电容电压均衡控制环节来稳定电容电压与限制环流。

电容电压均衡控制环节可以分成两部分：平衡电容电压和抑制桥臂环流。

3.1平衡电容电压

图7　平衡电容电压控制框图

3.2抑制桥臂环流

由前文论述可知，环流的存在会增大桥臂电流的峰值，增加器件的额定容量和系统的损耗。因此本文通过两个PI调节器的协同作用，有效地将环流限制在可以接受的范围内。其中，

具体控制如图8。

由公式（2）得a相环流表达式为

图8　抑制桥臂环流控制框图

当只考虑环流影响时，由图3可得a相回路基尔霍夫电压方程为

由公式（5）得，环流iza与电容电压uCja间为一阶环节［13］，可以采用调节器PI1得到环流参考值：

下桥臂调制波：

4　仿真分析

为了验证本文的电容电压均衡控制策略的有效性，在Matlab/SimulinK仿真环境中搭建11电平MMC控制系统，直流电压由整流器得到，上、下桥臂各5个子模块。平衡电容电压控制环节的电压调节系数k为0.5，抑制桥臂环流环节两个PI调节器的参数分别为0.5、100和0.5、150。

图9　系统仿真框图

具体参数如表2。

表2　MMC系统仿真参数表

系统仿真结果如图10～14所示。

图11　MMC输出电流

图12　MMC桥臂环流

图13　电容电压平均值

图14　每相10个电容电压瞬时值

图10、图11为系统输出电压和输出电流波形。容易看出输出电压由11个电平组成，电压峰值为250V，波形十分整齐规则接近正弦波。系统输出电流波形是一条平滑正弦的曲线，电流峰值稳定在11.5A。

图12为MMC的桥臂环流波形。从图中可以看出，环流2倍于基波频率，而且稳定在（-3A，6A）内。虽然选择合适的桥臂电感对环流有一定的限制作用，但是本文的电容电压均衡控制策略对桥臂环流的限制作用更为显著。

图13为上、下桥臂10个电容电压的平均值波形，系统进入稳态后，其值稳定在100V左右，上、下波动小于2.5V。图14为10个电容电压的瞬时值波形。同样，每个电容电压的瞬时值都稳定在100V左右，上下波动小于6V，且上、下桥臂电容电压具有良好的一致性。由此可以证明本文中电容电压均衡控制策略正确有效，具有理论和实际应用价值。

5　结 论

本文结合载波移相调制方法的基本原理，提出一种无需排序的电容电压均衡控制策略。通过在电压参考信号的基础上叠加由控制环节得出的电压平衡控制量，调节各电容的充放电时间，使各子模块电容电压保持一致并跟踪有效值，同时对桥臂环流也起到明显的限制作用。本控制策略具有动态调节能力强、控制简单、能有效提高系统等效开关频率等显著优势；同时每个子模块的开关频率相同且较低，又无需排序，而等效的开关频率很高，这就大大降低了IGBT的开关次数及开关损耗。

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（责任编辑:杨秋霞）

Research on Strategy for Capacitor Voltage Balancing of Modular Multilevel Converter

MA Shang，WANG Ui
（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources（North China Electric Power University），Baoding 071003，China）

In modular multilevel converter，the balancing of capacitor voltage in each modular is urgent to be solved.On the basis of analyzing the topology and operation principle of MMC，a strategy based on PI controllers for capacitor voltage balancing is proposed in this paper by using carrier phase-shifting SPWM.The aim of control strategy is to balance capacitor voltage and to control loop bridge-arm current.By adjusting the waveform of the modulation signal，the charge/discharge time of each capacitor is modified in order to make capacitor voltage keep consistent and track the given value.No need of sequencing measured capacitor voltage，the control strategy decrease switching frequency of IGBT and system loss.In the end，the MMCsystem is verified on Matlab/Simulink simulation platform，and the results show that the control strategy is correct and effective. Keywords：modular multilevel converter（MMC）；switching frequency；carrier phase-shifting SPWM；capacitor voltage balancing

1007-2322（2015）02-0050-06

A

TM46

2014-03-27

马 尚（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，E-mail：ms1062094@126.com；

王 毅（1977—），男，博士，副教授，研究方向为风力发电控制技术、电力电子在电力系统中的应用。