基于模块化多电平变换器的混合型电力电子变压器及其控制策略的研究

刘梦轩, 范栋琦, 金 成

(1.东南大学, 江苏 南京 210096;2.国网华东电力调控分中心, 上海 200120)

0 引 言

传统电力变压器作为电力系统的基本设备,具有结构简单、可靠性高等特点。然而,随着电网系统的不断发展,传统电力变压器设备体积大、易产生谐波问题、电能质量无法保证等缺陷日益凸显。近年来,由于电力电子技术尤其是电力电子器件技术的高速发展,电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)作为一种新型的电力变压器受到越来越多国内外学者的关注和重视[1-2]。PET不仅兼具传统变压器隔离、变换电压、传递能量等功能,还可实现对潮流的控制以及电能质量的治理,其应用领域十分广阔[3]。

随着电网中设备装置种类、数量的不断增加,电能质量问题日益严重。因此,使用控制特性优良、输出电流质量较高的变换器显得尤为重要。在PET拓扑结构中,其变换器主要有交流-直流-交流(AC/DC/AC)变换器和交流-交流(AC/AC)变换器两种。目前,两种变换器结构在PET拓扑中均有研究。文献[4]采用AC/DC/AC变换器的技术方案,提出了一种模糊自适应控制策略,但是其应用于中高压、大功率场合,其输入侧多采用H桥级联结构或模块化多电平变换器,使得电容电压平衡控制十分复杂。同时,隔离环节需要多个DC/DC变换器以及中(高)频变压器,对PET的功率密度不利。另一方面,文献[5]采用改进型的AC/AC/AC变换器,结构过于复杂,使用元器件过多,且只能在高频环境下保持良好工作特性,不适用于低频工况。文献[6]采用AC/AC变换器的技术方案,但受制于变换器中功率开关器件的耐压值,使其不适用于高压大容量的场合,限制了应用范围。

基于上述问题,本文提出了一种基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)的混合型电力电子变压器及其控制方法,PET中MMC变换器采用基于模块化多电平结构的直接AC/AC变换器,没有中间直流环节,结构紧凑、灵活,且能够应用于高压大功率场合。基本控制策略中采用电压电流双环控制,其中电压外环采用PR控制器,相比PI控制器其控制环的结构更为简洁,降低了系统的计算量;电流内环采用P控制器,能够使系统获得较好的动态响应性能。控制器中还加入了低频控制环节,使得装置能够在输出低频工况下正常运行,克服了传统控制方法的装置在低频工况下无法正常运行的缺陷。当电网发生电压跌落或骤升等故障时,可以利用本文提出的电压补偿控制进行电压补偿,提高电网电能质量。仿真验证了本文所提混合型电力电子变压器及其控制方法的可行性与有效性。

1 基于MMC的混合型PET拓扑及工作原理

基于MMC的混合型PET拓扑结构图如图1所示,主要包括PET和MMC。PET一次侧绕组与电网连接,二次侧绕组采用星型连接,连接MMC输入端,MMC输出端通过LC滤波器后连接隔离变压器,隔离变压器一端与二次侧绕组相连,另一端连接负载。MMC拓扑结构如图2所示。

2 混合型电力电子变压器的MMC控制策略研究

对于混合电力电子变压器的MMC而言,需要采取合理的控制策略以保证其正常运行,主要体现在对MMC的控制。基于混合型电力电子变压器的控制方法包括MMC基本控制以及电压补偿控制,其中基本控制中包含电容总电压平衡控制、桥臂间电容电压均衡控制、低频纹波抑制和子模块电容电压均衡控制策略。

2.1 MMC基本控制策略

MMC基本控制框图如图3所示,基本控制包括电压外环控制和电流内环控制,控制策略具体如下:桥臂间电容电压控制部分输出量与变换器的输出电流iL相加,再将结果的1/2作为电流指令信号。随后与电容总电压平衡控制的输出信号相加,最终分别得到上、下桥臂对应电流参考信号i1ref、i2ref,作为电流内环控制器的输入。参考信号分别与上、下桥臂电流i1、i2做差比较之后,经过比例控制器P,得到电流内环控制器的输出信号d1ref、d2ref,再与对应桥臂的PWM静态占空比D1、D2相加之后得到对应桥臂的公共占空比信号d1、d2。在实际中,由于所用开关器件制造工艺等原因,子模块参数不可能完全相同。只通过上述控制无法实现电容电压的平衡,因此需要加入子模块电容电压均衡控制。经过子模块电容电压均衡控制后输出控制信号d1j、d2j(j=1,…,N),经过载波移相PWM调制,控制开关器件的通断,从而实现对电力电子变压器的控制[7-8]。

MMC电压外环控制采用多重控制方法。

(1) 电容总电压平衡控制。电容总电压平衡控制通过控制输入到变换器的总有功功率,以实现变换器桥臂中所有子模块的电容总电压平衡控制。

电容总电压平衡控制框图如图4所示。控制策略具体如下:采集MMC内两组桥臂H桥子模块内直流侧储能电容的电压uxy(x=1,2;y=1,…,N;N=2n),分别计算其平均值uxav(x=1,2)。其中,平均值uxav(x=1,2)为

(1)

式中:u1av、u2av——电容总电压平衡控制和桥臂间电容电压控制的输入参数。

对u1av,u2av取平均值得到电容总电压平均值uav。将电容电压参考值udref与电容总电压平均值uav相减,所得结果经过低通滤波器滤除电压中的谐波成分;然后经过PI调节器得到所需有功功率指令值Pref,将其通过变换得到电流指令信号Iref,并与输入电压ui锁相或单位化的信号cosωt相乘,得到电容总电压平衡控制的输出信号iref。其中,电流指令信号Iref为

(2)

式中:Uim——输入电压最大值。

(2) 桥臂间电容电压均衡控制与低频纹波抑制。桥臂间电容电压控制通过调整桥臂之间的有功功率分配,以实现每一组上、下桥臂中子模块的电容电压均衡控制。桥臂间电容电压控制框图如图5所示。

其控制策略具体如下:对平均值u1av、u2av做差后取平均值,再将结果经过低通滤波器滤波,低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压,输出经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器,得到有上、下桥臂有功功率指令值ΔPref。

当装置工作在输出低频工况下,电容电压纹波中以二倍频分量为主,输出频率越低,则电容电压波动越剧烈,使得装置难以正常运行,因此需要对装置进行低频控制;在桥臂间电容电压均衡控制中,低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压,并与直流分量共同参与反馈控制;然后经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器,在实现桥臂间电容电压均衡控制的同时,实现低频纹波抑制[9]。其中,PR控制器的传递函数为

(3)

式中:Kp1、Kr——PR控制器的比例、谐振系数;

ω2——输出电压角频率。

有功功率指令值ΔPref经过变换后得到电流指令信号ΔIref。电流指令信号ΔIref与单位幅值方波相乘后得到桥臂间电容电压控制的输出信号Δiref。其中,电流指令信号ΔIref为

(4)

式中:Uinvo——变换器输出电压的幅值。

(3) 子模块电容电压均衡控制。子模块电容电压均衡控制通过调整每个桥臂内子模块的输出电压,以实现每个桥臂内子模块的电容电压均衡控制。

对于子模块电容电压均衡控制,由于两组桥臂的拓扑结构完全相同,以第一组桥臂为例进行说明,其内部子模块电容电压控制框图如图6所示。

其控制策略具体如下:第一组桥臂中所有子模块中直流电容电压平均值u1av与第j个子模块中直流电容的电压u1j相减,经过低通滤波器之后,再经过PI调节器得到有功功率微调量ΔP1jref。有功功率微调量ΔP1jref经过变换,与单位化后的桥臂电流相乘,得到电压修正量,电压修正量经过变换最终得到占空比信号修正量Δd1j。占空比信号修正量Δd1j与公共占空比信号d1相加后得到各子模块最终的控制信号d1j。

2.2 电压补偿控制策略

当电网电压发生故障时,可以利用本文提出的混合型电力电子变压器中的电压补偿控制进行电压补偿,以提高电网电能质量。

电压补偿控制主要包括电压检测及补偿电压计算和电压/电流双环控制。当发生电压跌落故障时,将三相电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系后分离出直流分量。由于常规的低通滤波器或在一个移动窗内求平均值的方法都难以保证实时性。为消除时延,可以采用对电压值求导的方法瞬时分离出直流分量。利用已分离出的直流分量计算补偿电压幅值以及相位角,再与电网正序基波电压有效值及相位角相比较,得到补偿电压。利用补偿电压作为参考值,通过电压/电流双环控制得到控制信号。双环控制中电压环采用PR控制器,在简化控制环结构的同时,可以实现输出的补偿电压无静差跟踪参考值;电流环采用P控制器,着重完成加快动态响应速度的目标。将电压/电流双环控制得到控制信号与前述基础控制信号结合,通过PWM调制生成功率器件的开关信号,以实现对电压跌落故障的治理。

基于MMC的混合型电力电子变压器的电压补偿控制中,电压检测及补偿电压计算原理框图如图7所示。

将电网电压ua,b,c经过锁相环得到相角ωt用于abc/dq0变换,电网电压ua,b,c通过abc/dq0变换得到dq0坐标轴下的分量ud、uq。随后通过分别对ud、uq求导后分离出直流分量Ud、Uq。具体过程为

(5)

式中:ω——电网角频率;

k——电网电压谐波次数且k=4,7,10…;

u′d、u′q——ud、uq的导数。

分离出直流分量后,通过计算可以得到补偿电压幅值Usag以及相位角δ,将其同电网正序基波电压有效值以及相位角比较后就可以得到需要补偿的电压Δu。其中,所述补偿电压幅值及相角的计算过程为

(6)

3 基于MMC的混合变压器补偿特性仿真分析

3.1 仿真参数的设定

为了验证本文所提出的混合型电力电子变压器及其控制策略的有效性,利用MATLAB软件建立仿真模型,其主要参数如表1所示。

针对本文提出的MMC基本控制策略中的低频纹波抑制策略以及电压补偿控制策略进行仿真。

3.2 低频纹波抑制策略仿真分析

直流侧电容电压波形如图9所示。直流侧电容电压快速上升,并保持稳定在400 V左右,略有波动。装置整体运行过程中,直流侧电容电压保持稳定。

选取直流侧电压到达平稳后的稳定区域(0.08 s之后),抑制前后直流母线电压仿真波形如图10所示。应用本文所述低频纹波抑制方法后,直流母线电压低频二次纹波峰峰值从51.43 V下降到6.35 V,补偿效果明显,低频二次纹波得到有效抑制,仿真验证了所述控制方法的有效性。之所以还存在小幅度的低频二次纹波,是因为需要根据采样值计算得到辅助电容电压参考值,因不可避免存在延时带来误差,造成低频二次分量不能完全补偿。

表1 仿真模型主要参数

3.3 电压补偿控制策略仿真分析

选取当网侧电压发生骤升和骤降两种情况下,混合型电力电子变压器对电网电压的电压恢复情况,其中,网侧发生电压骤升的情况为网侧发生A相单相接地故障时,A相电压跌落为0,B、C两相电压骤然升高的情况;网侧发生电压跌落的情况为网侧发生三相故障时,A、B、C三相电压大幅降低的情况。

(1) 网侧电压骤升时电压恢复情况。发生单相接地故障时混合型电力电子变压器对电网电压的电压恢复波形如图11所示。从上到下依次为电网电压、变压器输出补偿电压及负载电压。仿真总时长为0.2 s,在0.1 s时电网发生单相接地故障,导致A相电压跌落为零,B、C两相电压升高。此时,电力电子变压器通过检测模块和控制模块对该相电压进行恢复,输出补偿电压,从而使负载电压始终维持在稳定状态,仍能安全稳定地运行。

(2) 网侧电压跌落时电压恢复情况。发生三相故障时多功能混合型电力电子变压器对电网电压的电压恢复波形如图12所示。从上到下依次为电网电压、变压器输出补偿电压及负载电压。仿真总时长为0.2 s,在0.1 s时电网发生三相故障,A、B、C三相电压大幅跌落。此时,电力电子变压器通过检测模块和控制模块对该相电压进行恢复,输出补偿电压,从而使负载电压始终维持在稳定状态,仍能安全稳定地运行。

从两种情况下的仿真波形可以看出,系统对电压补偿的动态性能良好,能够在较短的时间内对负载电压进行补偿,从而使负载电压保持稳定。仿真结果验证了所提出多功能混合电力电子变压器及其控制策略的有效性。

4 结 语

本文提出了一种基于MMC的混合型电力电子变压器及其控制方法。PET中MMC采用直接AC/AC变换器,没有中间直流环节,使得装置的结构紧凑,电能转化率较高,体积较小,易于实现模块化。变压器拓扑中的MMC基于模块化多电平结构,使得装置能够应用于高压大功率场合。同时,MMC结构各桥臂支路相对独立,提高了控制策略的灵活性。所提出的PET基本控制策略中采用电压/电流双环控制,其中电压外环可以改善输出电压波形,提高输出精度,控制器采用PR控制器,相比PI控制器其控制环的结构更为简洁,降低了系统的计算量;电流内环采用P控制器,能够使系统获得较好的动态响应性能。并且加入了低频控制方法,使得装置能够在输出低频工况下正常运行,克服了传统控制方法下装置在低频工况无法正常运行的缺陷。当电网发生电压跌落或骤升等故障时,可以利用本文提出的电压补偿控制进行电压补偿,使负载电压保持稳定,提高电网电能质量。最后通过仿真验证了本文所提混合型电力电子变压器及其控制方法的可行性与有效性。