MMC型光伏并网逆变器无差拍控制策略

王 坚， 王 毅， 胡 灿， 丁若瑜， 刘 浩

(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)

MMC型光伏并网逆变器无差拍控制策略

王 坚， 王 毅， 胡 灿， 丁若瑜， 刘 浩

(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)

将模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)应用到光伏直流汇集并网系统中，可以提高光伏并网系统输出的电能质量，但是随着子模块数量的增多，MMC控制系统的计算量会显著增大。为简化MMC控制系统的计算量，通过分析研究，提出了一种基于无差拍电流控制的MMC的控制策略，该控制策略仅需一次坐标变换和PI调节环节，且可直接产生子模块投切个数，不需经过调制波调制，相对传统控制方法，运算量明显减少。最后利用MATLAB/Simulink搭建了光伏并网系统的仿真模型，仿真结果表明该控制策略具有很好的动态响应，可以使输出电流快速、准确跟踪参考电流，并网电流畸变率小，十分适宜并网系统的数字控制。

光伏并网； MMC； 无差拍电流控制； 畸变率

0 引言

近年来，随着全球变暖和生态环境恶化等问题的日益突出，开发和利用可再生的清洁能源越来越受到人们的关注。太阳能作为一种可再生的清洁能源，已经得到了广泛的应用。作为太阳能主要利用方式之一的光伏发电，目前各项技术已经趋于成熟。光伏电站的并网化与大型化是今后的发展方向[1-2]。并网逆变器作为光伏并网系统的核心与关键，其控制技术一直是研究的热点[3-5]。传统的光伏并网系统，逆变器采用VSC拓扑，通过脉宽调制技术(Pluse Width Modulation,PWM)控制逆变器的输出。采用的控制方法为双环结构的直接电流控制，实现电流内环的方法目前主要有滞环控制和无差拍控制[6-8]等。无差拍电流控制是一种数字化的PWM控制方法，由于其开关频率固定，动态性能好等优点，得到了广泛的应用，适合在高性能数字控制系统中实现。

电压源型高压直流输电系统(VSC-HVDC)由于其控制灵活，可以实现有功功率和无功功率的独立控制，被广泛应用于新能源并网接入等领域。但是传统的VSC-HVDC大多采用两电平或三电平结构，随着其电压等级及容量的提升，会带来开关损耗大、动态均压难等一系列问题[9-11]。为此，德国学者提出了模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的新型拓扑结构。MMC采用模块化设计，通过调整子模块的个数，可以得到较高的输出电压，随着电平数的增加，输出电压的谐波也降低，从而可以省去大容量的交流滤波器，有效节约了成本。

目前MMC的控制策略主要沿用VSC的控制，主要为电流解耦控制策略，这种控制方法需要经过多次坐标变换和PI调节环节，控制系统比较复杂。另外在控制系统的设计中还需考虑MMC子模块电容的均压问题。目前MMC的调制方法主要有最近电平逼近[12]和载波移相调制[13]，这两种方法均需实时采集电容电压，通过调制波的调制获得子模块开通的个数。在实际工程中，为了使输出电压的谐波尽可能小，往往需要数十个甚至上百个子模块，大大增加了控制系统的计算量。因此对MMC的控制策略进行优化改进，降低控制系统的计算量具有十分重要的意义。

本文通过分析研究，将MMC应用到光伏直流汇集并网系统中，提出了一种基于无差拍电流控制的MMC的控制策略。MATLAB/Simulink仿真验证了本文所提的控制策略可以很好的实现有功和无功功率的独立控制,动态响应快，并网电流畸变率小，并网功率因数为1，同时改变了传统利用调制波调制产生子模块投切个数的方法，为MMC控制策略的研究提供了一种新思路。

1 MMC的拓扑结构及工作原理

MMC拓扑结构如图1所示，主电路由6个桥臂构成，每个桥臂由若干个结构相同的子模块(Sub Module，SM)与一个电抗器L相互串联组成[14]。

根据子模块中两个开关器件导通和关断状态的排列组合以及子模块中电流的流向，子模块可分为6种工作状态，具体工作状态如表1所示。其中，1表示导通，0表示关断。

图1 MMC拓扑图

模式S1S2ismUsm状态110>0Uc投入210<0Uc投入301>00切除401<00切除500>0Uc闭锁600<00闭锁

由于MMC中三个相单元具有对称性，因此可取a相桥臂进行分析，b相、c相具有和a相相同的工作机理。MMC相单元结构如图2所示。

图2 MMC相单元结构

根据KVL定理，对上下两桥臂列写回路电压方程可得：

(1)

(2)

式中：upa为上桥臂输出电压，V；una为下桥臂输出电压，V;Udc为直流侧电压，V；uao为a相输出电压,V。

(2)式减(1)式，得输出的相电压为：

(3)

由式(3)可知，通过改变相单元中上、下桥臂投入的子模块的个数，就可改变交流侧的输出电压，从而使输出波形接近正弦波，减小了谐波的含量。

2 MMC的传统控制策略

MMC传统的控制策略为双环结构的电流矢量控制，外环采用定直流电压控制，内环采用电流解耦控制。

2.1直流电压控制

直流电压控制的基本原理是根据直流电压的参考值udcref，保持直流侧电容器上的电压udc为额定值，控制框图如图3所示。

图3 直流电压控制框图

将直流电压的参考值与实际值比较，比较的结果经过PI调节后，作为电流参考值idref送入内环控制器。

2.2电流解耦控制策略

三相对称时，MMC在dq旋转坐标系下的数学模型可以表示为：

(4)

式中：usd、usq分别为电网电压的d、q轴分量,V；ud、uq分别为MMC交流侧电压基波的d、q轴分量,V；isd、isq分别为电网电流的d、q轴分量，A；R、L是联结变压器加相电抗器的等效电阻及等效电感。式(4)表明，d、q轴电流除受控制量ud、uq的影响外，还受到电流交叉耦合项ωLisd、ωLisq和电网电压usd、usq的影响。电流解耦控制框图如图4所示。

图4 电流解耦控制框图

输出的三相参考电压作为调制波进行调制，获得MMC各个桥臂开通的子模块数，进而控制子模块的投切获得所需的输出波形。这种控制方法需经过多次坐标变换和PI调节环节，控制比较复杂，且需通过与调制波的比较获得子模块开通的个数，随着子模块数量的增多，计算量会显著增加。

3 MMC的无差拍电流控制策略

3.1无差拍电流控制

无差拍电流控制的基本原理是在每一个开关周期的开始时刻，采样逆变器的输出电流i,并且预测出下一周期开始时刻电流的参考值i*,通过调节开关器件的导通和关断，使输出电流在下一周期开始时刻等于i*。这种方法动态响应快，可以使输出电流快速、准确地跟踪参考电流，十分适宜并网系统的数字控制。

MMC并网系统拓扑如图5所示。图中，Udc为直流侧电压，Ua、Ub、Uc为三相电网电压，ia、ib、ic为三相输出电流，L为网测滤波电感。

图5 MMC并网系统拓扑

如图5，根据KVL定理可列出电路的回路电压方程为：

(5)

设MMC每相下桥臂的输出电压为Unu、Unv、Unw，则回路电压方程可表示为：

(6)

设MMC每相下桥臂在一个控制周期T内开通的子模块数分别为Nnu、Nnv、Nnw(忽略桥臂电感压降)，将回路电压方程离散化，同时设电流参考值为ia*、ib*、ic*，子模块电容电压的参考值为Uc，由于MMC的控制周期远小于电网基波周期，因此，在一个控制周期内，可以忽略三相电网电压和子模块电容电压的变化。则每一个控制周期内的回路电压方程为：

(7)

以上三个电压方程只有两个是相互独立的。设MMC每个桥臂的子模块数为n，由于MMC每相上下桥臂在一个控制周期开通的子模块数之和为n，可得在一个控制周期内，MMC的三相上桥臂开通的子模块总数和三相下桥臂开通的子模块总数相等，即得式(8)

Nnu+Nnv+Nnw=1.5n

(8)

联立式(7)、(8)求解可得MMC三相下桥臂在一个控制周期开通的子模块数为:

(9)

式中：round(x)表示取与x最接近的整数。

MMC三相上桥臂在一个控制周期开通的子模块数即为:

(10)

式中：Npu、Npv、Npw为MMC每相上桥臂在一个控制周期T内开通的子模块数。

控制框图如图6所示，控制系统实时采集并网电流和电网电压，根据式(9)和式(10)计算出MMC各个桥臂开通的子模块数。参考电流值id*通过外环控制器输出获得，iq*给定为0。通过锁相环保证并网电流和电网电压同相，从而实现并网功率因数为1。

图6 无差拍电流控制框图

3.2子模块电容电压均衡控制

获得子模块开通的个数后，还需结合子模块电容电压均衡控制来确定具体投入哪些子模块。具体控制方法为：监测各子模块的电容电压值，并

对其进行排序，在投入子模块数量变动的时刻，若桥臂电流对子模块电容充电，则投入该桥臂中电容电压偏低的子模块；若桥臂电流对子模块电容放电，则投入该桥臂中电容电压偏高的子模块。控制框图如图7所示。

图7 子模块均压控制框图

4 仿真验证

为了验证本文所提的MMC的无差拍电流控制策略的正确性，在MATLAB/Simulink中搭建了如图8所示的光伏直流汇集并网系统的仿真模型，部分仿真参数如表2所示。

图8 光伏直流汇集并网系统

名称符号数值温度/℃T25光照/(W·m-2)S1000MMC直流侧电压/kVUdc20控制周期/sT1/6000每一桥臂的子模块数n8子模块电容/mFC2电容电压参考值/kVUc2.5三相滤波电感/mHL31电网线电压/kVU35电网电压频率/Hzf50

直流母线电压波形如图9所示，其额定参考值为20 kV,0.8 s时将3个光伏阵列的光照由 1 000 W/m2同步变为750 W/m2，直流母线电压在光照发生变化后，经过一个暂时的跌落，仍然可以稳定在额定值附近。由图可知，在光照发生较大变化时，光伏直流汇集并网系统仍然能够控制直流母线电压稳定，从而维持整个系统的稳定。

MMC传输的功率如图10所示，从图中可以看出，MMC的传输的无功功率近似为0，有功功率在经过一段时间后，稳定在1.5 MW左右；在光照发生变化后，无功功率仍然可以维持在0附近，而有功功率在光照变化后的0.06 s，稳定在了 1.11 MW 左右。这表明本文所提的控制策略可以很好的实现有功和无功功率的独立控制。

图9 直流母线电压波形

图10 MMC传输的功率

MMC交流侧A相输出电压、电流波形如图11、12所示，对比图11和图12可以看出，MMC输出电压和电流基本同相，实现了单位功率因数并网；从图12中可以看出，并网电流波形良好，畸变率小，减小了对电网的谐波污染。

图11 MMC输出电压波形

图12 MMC输出电流波形

5 结论

本文提出了一种适用于MMC的无差拍电流控制策略，该控制策略仅用到一次坐标变换和一次PI控制，且不需要经过调制波的调制就可产生子模块投切个数，相对于传统控制策略，大大简化了控制系统计算量，同时还具有控制简单、控制精度高、动态响应快等优点。最后，将该控制策略应用到光伏直流汇集并网系统中，进行了仿真验证。仿真结果表明，该控制策略可以很好地实现有功和无功功率的独立控制，具有良好的稳态和动态特性，并网电流波形良好，畸变率小，实现了单位功率因数并网运行，是一种有效的MMC控制策略。

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Deadbeat Control Strategy of MMC Type Photovoltaic Grid Connected Inverter

WANG Jian， WANG Yi， HU Can， DING Ruoyu， LIU Hao(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electric Power University)， Baoding 071003，China)

The application of the modular multilevel converter (MMC) to the collection of photovoltaic (PV) DC grid-connected system can improve the quality of the output power remarkably. However, with the increase of the number of sub modules, calculation amount of MMC control system will significantly increase. In order to simplify the calculation of MMC control system, this paper proposes a control strategy for MMC based on the deadbeat current control which needs coordinate transform and PI regulation only once, and can directly produce switching number of the sub module without the modulation of modulation wave. Compared with the traditional control method, the computation amount is significantly reduced. Finally, a simulation model of the photovoltaic system is built through MATLAB/Simulink. The simulation results show that the control strategy has a good dynamic response, and the output current can quickly and accurately track the reference current, and the grid current distortion rate is small. The above conclusion shows that the method proposed in this paper is very suitable for digital control of grid connected system.

photovoltaic(PV) grid-connected; MMC; deadbeat current control; distortion rate

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.09.002

TM46

A

1672-0792(2017)09-0008-07

2017-06-14。

国家重点研发计划资助 (2016YFB0900203)。

王坚(1994-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用；王毅(1977-)，男，博士后，教授，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用；胡灿(1994-)，男，硕士研究生，研究方向为柔性直流输电；丁若瑜(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用；刘浩(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。