MMC子模块电容电压改进控制方法的研究

马文忠, 孙迎新, 武 琳, 魏 亮, 赵华芳

(1. 中国石油大学(华东)， 山东 青岛 266580；2. 国网电力科学研究院北京科东电力控制系统有限责任公司， 北京 100192)

MMC子模块电容电压改进控制方法的研究

马文忠1, 孙迎新1, 武 琳2, 魏 亮1, 赵华芳1

(1. 中国石油大学(华东)， 山东 青岛 266580；2. 国网电力科学研究院北京科东电力控制系统有限责任公司， 北京 100192)

介绍了模块化多电平换流器电容电压测量及均压原理，指出传统的电容电压控制下，当桥臂子模块数目过于庞大时，电压传输信号较多，增加了控制器设计难度。针对这一问题，提出了一种改进的电容电压测量方法，该方法中参与控制的电压信号数量仅为传统测量方法的一半，有利于降低控制系统的设计难度，减轻控制器工作负担。首先详细介绍了电容电压改进控制方法下的模块拓扑结构和电压测量原理，然后在此基础上，设计了改进电容电压排序算法，减少传统排序过程中不必要的运算量，在数据处理过程中进一步优化控制器运算，保证换流器稳定运行。最后搭建了仿真模型，验证所提策略的正确性和有效性。

模块化多电平换流器； 改进电压测量； 电压传感器； 改进电容电压均衡策略

1 引言

随着现代电力电子技术的快速发展，基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统应运而生，并受到社会的广泛关注。模块化多电平变换流器(MMC)采用模块化的拓扑结构，具有结构简单、易于扩展、低谐波含量、低损耗等一系列的优点，在可再生能源并网、城市电网供电和异步交流电网互联等场合有着巨大的应用潜力[1-4]。

目前，国内外对MMC已开展了广泛的研究，其中主要集中在数学模型的建立[5,6]，调制策略的优化[7]以及子模块故障[8-10]等问题上。文献[11]提出的电压均衡控制方法基于对子模块电容电压排序，首先将各个模块电容电压进行排序，再根据桥臂电流的方向选择合适的模块投入或者切除，从而达到平衡子模块电容电压的目的。但随着直流电压和传输功率不断增加，各个桥臂级联模块数量大幅增加，相应的参与控制的电压信号数量也在增加，大量的实时数据通过转化电路被传入到控制器，这样会增加控制系统的设计难度，影响控制器响应速度，不利于系统稳定运行。对此，文献[12]在传统电容电压排序的基础上，提出了引入保持因子的电容电压优化平衡控制，将控制的重点放在电压越限的模块上，对未越限的模块在一定范围内保持原有投切状态，从而达到减小控制器运算量和器件开关频率的目的。文献[13] 提出了一种新型的适用于采用载波移相正弦脉宽调制技术的MMC 电容电压优化平衡控制算法，有效保持了电容电压的动态平衡，但当子模块数量过多时，该方法控制较为复杂，对系统硬件电路提出了更高的要求。文献[14]提出了一种采用质因子分解法的电容电压平衡算法，降低了排序运算量，提高了计算效率。然而以上方法都没有涉及到通过减少控制器输入电压信号数量来提高系统工作效率。

针对传统电压控制处理数据量过大的问题，本文首先提出了一种改进的电容电压测量方法，利用双子模块出口端电压传感器和各个子模块导通信号，完成电容电压均衡控制。该方法中系统参与的电压数据量仅为传统电压控制方法的一半，有利于降低控制系统的复杂程度。在此条件下，本文设计了与新测量方法相适应的电容电压均衡控制，保持换流器的稳定运行。最后，Simulink中的仿真结果验证了该算法的有效性。

2 MMC的工作原理

2002年，德国学者R．Marquart和A．Lesnicar首次提出MMC的结构概念，奠定了现代可控电压源型换流器的基础。MMC的结构框图如图1所示。每相桥臂分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由相同数量的子模块(SM)和限流电感Ls串联构成。目前国内外最新投入的柔性直流输电工程换流器均采用这种MMC结构。

图1 MMC的结构框图Fig.1 Structure diagram of MMC

子模块电容电压控制是换流器稳定运行的关键，主要包括电容电压实时测量和电容电压均衡两个环节，传统电容电压测量方法[15]利用并联在每个子模块电容两端的电压传感器来获取实时电压数据，这种方法的弊端是：对于电平数较高的换流器，需要传输的电压数据量增加，大量的转化电路和信号传输将对换流器控制系统的硬件设计带来巨大挑战。与之相适应的传统电压均衡控制主要过程是对每个桥臂的子模块电容电压和桥臂电流进行实时检测，如图2所示。当桥臂电流方向为正时，对子模块电容电压进行升序排列，当电流方向为负，则对电容电压进行降序排列，依据子模块投入个数，选择合适模块进行投切。本文把这种传统均压控制记作T-sort(电容电压，投入个数)。采用这种电压平衡方法可以有效抑制电容电压波动，从而实现直流电压稳定，然而这种控制方法也存在一定的弊端，每个周期都需要对全部电容电压进行排序，增加了控制器不必要的运算量，降低了控制器工作效率。

图2 传统电容电压排序流程图Fig.2 Flow chart of traditional voltage balance control

3 改进电容电压测量方法

当桥臂子模块数量过多时，传统的电容电压控制策略不利于控制系统的设计。因此本文设计了一种改进的电容电压控制方法，从源头上减少系统数据传输量，降低系统的设计难度。将图1中两个半桥子模块级联在一起，构成双子模块。稳态运行，每个双子模块可以产生三种电平(0、UC1或者UC2、UC1+UC2)，同时在AB端口配置一个电压传感器，依据双子模块上下两个半桥的导通信号(S1和S2)和AB端口电压传感器数值Uout，推导得到UC1和UC1+UC2。改进电容电压测量拓扑如图3所示。

图3 改进电容电压测量拓扑Fig.3 Structure diagram of improved capacitor voltage measurement

由图3可知，当S1=S2=0时，桥臂电流未流过电容，双子模块中的电容电压不发生变化，当S1=1或者S2=1时，双子模块电容电压UC1与UC1+UC2发生变化。根据电容电压的这一特征，可猜想在上一周期内未投入的子模块因电容电压没有发生变化，下个周期开始阶段无需对其电压进行测量采集，控制器可以沿用上个周期结束时刻该子模块电容电压数值。设(UC1)k-1为上个周期结束时控制器接收的电容C1电压，(UC1+UC2)k-1为上个周期结束时控制器接收到的UC1+UC2。根据分析可得：

当S1=S2=0时

(1)

当S1=1且S2=0时

(2)

当S1=S2=1时

(3)

此处需要注意的是，当双子模块被完全投入时，Uout只能更新控制器中(UC1+UC2)k-1，然而这时候UC1也在变化，不再等于(UC1)k-1，控制器中的(UC1)k-1也需要更新，来保证获得准确的实时电压值。因此假设UC1与UC2在稳态时，电压保持平衡，UC1近似等于UC2，即UC1与UC2变化量相同。将式(1)～式(3)整理得到表1。

表1 S1、S2、UC1、UC1+UC2和Uout关系表Tab.1 Relationship between S1,S2,UC1,UC1+UC2 and Uout

由图3可知，通过AB端口电压传感器采集的电容电压来实现模块电压的平衡控制，可以使传统方法下n个模块电容电压信号变为现在的n/2个，有利于简化控制系统设计。

4 电容电压均衡策略

由表1可以看出，改进后的电容电压测量方法将测量的重点放在UC1和UC1+UC2而不是原来的UC1和UC2上，即双子模块的投切机制发生了变化，所以传统的电容电压排序不再适用于改进后的电容电压测量方法。本文基于传统的排序算法，提出了一种改进电容电压均衡策略。该方法依据需要投入半桥子模块个数N的不同，分别对电容电压UC1和UC1+UC2进行分类排序，然后选择合适的双子模块或者双子模块中的C1电容进行投切，具体操作流程如图4所示。

图4 改进电容电压排序流程图Fig.4 Flow chart of improved voltage balance control

假设每个桥臂包含的电容个数为n，计算得到该桥臂需要投入电容个数为N，第一组双子模块上半桥子模块电压为UC11，第一组双子模块电压为UC11+UC12。则首先将各个双子模块初始电容电压UC*1、UC*1+UC*2和N传送到控制器*代表1，2，…，n/2，当计算投入半桥子模块个数小于n/2时，仅对该桥臂子模块电容电压UC*1进行传统排序，选择合适半桥子模块进行投入。当计算投入半桥子模块个数大于等于n/2时，优先对双子模块总电容电压UC*1+UC*2进行传统排序，选择合适的双子模块同时投入上下两个子模块，其次，对N进行奇偶判断，如果N为偶数，则算法到此为止，该桥臂投入模块均为双子模块，如果N为奇数，则对剩余未投入的双子模块中的UC*1进行一次排序，选择电压最小或者最大半桥子模块投入。

依据以上分析，改进排序算法会根据投入子模块个数N的大小进行分类排序，且每次排序数量不会超过n/2，这将有效减少桥臂电容电压排序次数。

以南澳三端MMC-HVDC输电工程为例说明。南方电网在2013年投运的南澳三端高压直流输电工程中，直流电压为±160kV，桥臂子模块个数为200个[16]。分别应用传统电压控制和改进电压控制方法对该工程桥臂电容电压进行排序，单桥臂电压信号数量和控制器排序次数如表2所示。

表2 两种电压控制方法对比Tab.2 Comparison of two voltage control methods

由表2可知，改进电压测量方法下参与控制的模块电压信号数量仅为传统测量方法的一半，有利于降低控制系统的复杂程度。在此条件下，改进电容电压排序算法，可显著减少控制器计算量，在数据处理过程中进一步优化控制器运算，大大提高了控制器的工作效率，保证换流器稳定运行。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink环境下分别搭建11电平传统半桥型MMC和改进电压测量MMC。对比两种电压测量以及相应电容电压平衡方法下的子模块电容电压波形和换流器工作特性，设定模型仿真步长为0.01ms，具体仿真参数如表3所示。

表3 仿真系统参数Tab.3 Parameters of simulation system

图5为不同控制策略下的电容电压波形。由图5(a)、图5(b)可以看出，传统电压均衡策略下，电容电压维持在1500V左右，波动范围为±5%；采用改进控制策略下的电容电压也可以维持在1500V左右，波动范围为±7%。由图5(c)可以看出，采用改进电容电压测量方法，控制器得到的实时电压值UC1和UC1+UC2与实际值基本相同。

图5 不同均衡策略下的电容电压Fig.5 Capacitors’ voltages of different methods

图6和图7分别为两种控制策略下的换流器电气特性。可以看出，采用改进电容电压测量拓扑和改进电容电压均衡方法的换流器与传统控制方法下换流器电气特性基本相同，保证了稳态时换流器正常的功率传输。

图6 传统电压均衡策略下换流器电气特性Fig.6 System feature of MMC applying traditional method

图7 改进均压策略下换流器电气特性Fig.7 System feature of MMC applying improved method

6 结论

针对大规模MMC换流站硬件控制电路设计难度大的问题，本文设计了一种改进电容电压控制方法，通过在双子模块出口端配置一个电压传感器，利用双子模块出口端电压和子模块导通信号，完成换流器电容电压的均衡。与传统电压测量方法相比，改进测量方法中参与控制的电压信号数量减少50%，有利于简化控制系统的设计，减轻控制器工作负担。此外，为了解决新电压测量方法下电容电压均衡问题，本文设计了改进电容电压均衡策略，根据投入模块个数N，对电容电压进行分类排序，避免了不必要的排序计算，从数据的处理过程入手进一步优化控制器运算，提高系统响应速度。最后通过仿真验证，改进后的控制策略对换流器的电气特性几乎没有影响。

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Research on improved balance control for sub-module capacitor voltage of modular multilevel converter (MMC)

MA Wen-zhong1, SUN Ying-xin1, WU Lin2, WEI Liang1, ZHAO Hua-fang1

(1．China University of Petroleum (East China) , Qingdao 266580, China; 2. Beijing Kedong Electric Power Control System Co. Ltd.，State Grid Electric Power Research Institute, Beijing 100192，China)

The capacitance voltage measurement and the principle of voltage balance of the modular multilevel converter are introduced in this paper. Under the control of traditional capacitor voltage, there are more voltage sensors and more data acquisition results, which increase the difficulty of controller design when the bridge arm includes too many modules. To solve this problem, an improved capacitance voltage measurement method is proposed, and the voltage sensor in every sub module is connected in parallel to the double module output terminals. Capacitance voltage measurements are performed based on module signals, and voltage sensor number is only half of the traditional measurement method, so as to reduce the cost of the investment and controller workload from the data source. On above mentioned basis, a new capacitor voltage sorting algorithm is designed, which can reduce the amount of unnecessary operation in the traditional sorting process, and further optimize the controller operation in the process of data processing, that ensures the stable operation of the converter. Finally, a simulation model is built to verify the effectiveness of the proposed strategy.

modular multilevel converter (MMC); improved capacitance voltage measurement; voltage sensor; improved capacitor voltage modulation strategy

2016-04-21

国家自然科学基金(51277183)

马文忠(1968-)， 男， 山东籍， 博士， 教授， 研究方向为电力电子技术与智能电网技术; 孙迎新(1991-)， 男， 山东籍， 硕士研究生， 研究方向为电力电子技术与智能电网技术。

TM46

A

1003-3076(2016)11-0053-06