附加Buck斩波控制的半桥型MMC融冰系统协同控制策略

朱旭东，李红颖，连兴文，徐根堂，成龙，辛业春

(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，昆明650217；2.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学)，吉林 吉林132012)

0 引言

受冰冻积雪天气影响，输电线路覆冰容易导致断线、塔倒等事故，严重威胁电力系统的安全稳定运行[1-3]。为有效应对冰雪灾害，除冰和融冰技术受到了广泛关注。目前最有效的方法是安装直流融冰装置使线路发热融化覆冰，这种方法损耗小，速度快，工程实施效果好[4-6]。

直流融冰装置主要可以分为二极管不控整流型、LCC型和MMC型3种。前两种融冰装置运行时会消耗大量无功功率，产生高次谐波，需要配备无功补偿和滤波装置，而且需要配置体积庞大的专业多绕组变压器[7-10]，不适合作移动装置且利用率低。MMC型[11-12]具有开关频率低、效率高、易于模块化和谐波小等优点。其做融冰设备不用装滤波器，体积小。还可以在不融冰时转换为静态同步无功功率补偿器使用[13-14]，且融冰和无功补偿两种工作模式的转换方式简单。

目前对融冰装置的研究多侧重于实现其利用率的最大化，使一个装置能作用于多条覆冰线路。文献[15-16]采用全桥型MMC融冰装置，利用全桥子模块有“+、-、0”三电平的电压特性，实现装置直流电压从0到额定电压之间的调节，以满足不同线路融冰时对直流电压的要求，但装置的器件成本及损耗较高[17]。文献[18-19]提出的混合型MMC融冰装置也能满足直流电压连续可调要求，且更经济，但控制方式过于复杂。文献[20]提出了一种晶闸管和全桥型MMC混合型融冰技术，通过两者的协同配合提高融冰能力，MMC同时具备滤除谐波和补偿无功的能力，但其操作困难，控制较复杂。

鉴于半桥型MMC所需功率器件数量少，运行损耗较低的优势，将其应用于融冰系统中。为了实现直流电压的宽范围连续可调，本文提出了附加Buck斩波单元的半桥型MMC融冰系统及其协同控制策略。针对直流侧不同融冰电流需求，提出了MMC桥臂电压主动控制方法，即根据直流融冰电流要求获取直流电压参考值，进而改变子模块投入数量，实现其直流出口电压的自适应调整，并综合考虑交流出口电压要求及最大调制比约束，设计了其与直流侧附加Buck斩波电路的协同配合方案，利用Buck斩波电路进一步扩大直流电压调节范围，在满足不同线路融冰需求的同时保证交流侧的电能质量。最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型验证了所提协同控制策略的正确性和有效性。

1 附加Buck斩波电路的半桥型MMC融冰系统结构

附加Buck斩波电路的半桥型MMC直流融冰系统如图1所示，包括半桥型MMC和Buck斩波电路两个部分。半桥型MMC左侧连接交流系统，右侧经Buck斩波电路通过直流隔离开关(M1—M4)与需要除冰的输电线路连接。融冰线路以纯电阻等效，融冰线路电感很小可近似为0。

图1 融冰系统与交流电网连接示意图

2 半桥型MMC融冰装置工作原理及控制策略

2.1 半桥型MMC融冰装置拓扑结构

半桥型MMC及子模块拓扑结构如图2所示。共6个桥臂由相同数量和大小的HBSM组成和相同的电感L0级联而成。HBSM由两组IGBT(T1、T2)和二极管(D1、D2)反并联后与直流电容C0并联组成。工作时每相桥臂始终对称，上、下桥臂HBSM投入个数之和相同，保证直流电压稳定。

图2 半桥型MMC拓扑结构

2.2 半桥型MMC直流融冰装置桥臂电压控制

当半桥型MMC直流融冰装置作用于融冰线路时，由于不同线路的长度、温度和电阻率等不同，需要的直流电压也不同，因此融冰装置应具备直流电压连续可调的能力以满足不同线路的融冰需求。

半桥型MMC每相桥臂电压由直流分量和交流分量组成，具体如图3所示。其稳态运行时，上下桥臂电压为：

图3 桥臂电压组成分布图

(1)

式中：N为每相桥臂子模块数；Uup、Udown分别为上、下桥臂电压；Vref为桥臂电压交流分量标幺值。

根据图3可以看出，通过改变半桥型MMC桥臂参考电压可实现其直流侧电压的连续调节，具体调节过程可分为如下两种情况：一种是对交流电压没有影响，如图3(a)所示；另一种则会随着直流电压变化改变交流电压，如图3(b)所示，影响交流母线上连接的其他设备运行。综上，针对半桥型MMC 的特点，提出仅降低直流分量的半桥型MMC桥臂电压控制方法，在扩大融冰电压范围的同时保证交流侧电能质量。

半桥型MMC的数学模型如式(2)—(4)所示。

(2)

vk=(uku-ukl)/2

(3)

m=2vm/Udc

(4)

式中：usk为交流侧k(k= a, b, c)相电压；isk为交流侧k相电流；uku和ukl分别为k相上、下桥臂电压；Rb为桥臂电阻值；m为半桥MMC正常运行时的调制比；vm为三相调制电压vk峰值的平均值；Udc为直流电压。

由式(2)—(3)可以看出，在装置连接交流侧电源usk不变的情况下，若控制目标isk不变，则调制电压vk不变，vm也不变。由式(4)可知，此时MMC的Udc与m成反比。而半桥型MMC运行时m一般都会控制在0.8～0.9[21-23]，最大时为1。因此，为了维持MMC交流出口电压不变，可通过判断其调制比是否越限确定MMC直流出口电压下限值，具体控制框图如图3所示。

半桥型MMC融冰装置控制图如图4所示，在基本双闭环控制中引入直流电流控制环节和最大调制比判断环节。控制的目的是通过改变HBSM投入数量来改变直流电压，并且不影响交流母线电压。

图4 半桥型MMC融冰装置控制系统

控制系统的流程如下。

1)引入直流电流控制环节，根据不同融冰线路对融冰电流的需求获取直流电压参考值，实现融冰线路电流的实时追踪和准确控制，达到融冰效果。

2)设计根据直流电压参考值变化调整桥臂电压参考值，改变HBSM投入数量的方式来控制直流电压输出。实现直流电压的降低。此时上、下桥臂投入子模块数为：

(5)

式中：N为每相桥臂子模块数量；Nup、Ndown分别为上、下桥臂投入子模块数量；vv为调制波瞬时值；Uc为子模块电容电压平均值；round(·)为四舍五入取整；kt为瞬时调制比。此外，为了防止在减少子模块投入个数时，使子模块电容出现过电压，外环有功类控制回路采用定子模块电容电压控制。

3)考虑到直流电压参考值一直由直流电流控制器输出，可能使直流电压过小，超出装置的调节裕度，影响桥臂交流分量。因此引入最大调制比判断模块，利用Udcref根据式(6)计算瞬时调制比kt，判断kt值是否在m～1之间，若在此范围内则采用直流电流控制器输出的Udcref；若kt大于1，则将式(7)计算的最小直流电压Udcmin设为Udcref，以保证其交流侧的电能质量。因此，半桥型MMC受交流出口电压和最大调制比约束，直流电压调节范围仅为15%左右，当融冰线路电压要求低于该范围时，则需要配合直流侧附加Buck斩波电路扩大直流电压调节范围，满足不同类型、长度线路的融冰需求。

kt=2vm/Udcref

(6)

Udcmin=2vm

(7)

3 Buck斩波电路工作原理及控制策略

3.1 Buck斩波电路拓扑结构及控制策略

Buck斩波电路的拓扑结构如图5(a)所示，VT为多个全控型器件IGBT串联；D1为多个续流二极管串联；VT采用并联RCD缓冲电路的方法进行均压[24-25]。LC组成低通滤波；R为融冰线路等效电阻。工作原理如下。

图5 Buck斩波电路拓扑结构及等效电路

1)如图5(b)所示，当VT导通时，直流电压Udcmin通过电感为融冰线路提供能量，同时为电容C1充电，D1反向截止，L1能量逐渐增加。电感的电流iL在0～ton内可看为线性增长，最大值为iLMAX。iL的增量为：

(8)

式中：I0为融冰线路电流；U0为线路两端电压；TS为VT的一个开断周期；ton为VT导通时间；D为Buck斩波电路的占空比，且D=ton-TS。

2)如图5(c)所示，当VT关断时，iL不会突变，电感中能量通过D1导通续流，iL逐渐变小，此时融冰需要的能量由L1储能提供。当iL下降到比融冰电流I0更小时，C1开始放电，使融冰线路电流I0和电压U0保持不变。VT截止的时间为Ts-ton。iL近似呈线性减小，iL的减少量为：

(9)

当斩波电路稳定工作时，iL呈周期性变化，VT导通时iL与VT截止时的iL是相等的，即：

ΔiL+=ΔiL-

(10)

联立式(8)、式(9)和式(10)可得：

U0=DUdcmin

(11)

由式(11)可知，改变Udcmin或者D能改变U0。对于Udcmin的调节已在2.2节说明，所以当Udcmin不变时，只能依靠改变D来实现对输出电压平均值U0的调节，进而改变融冰电流。

Buck斩波电路控制框图如图 6 所示，同样经过直流电流控制环节得到Udcref，然后计算得到斩波控制量D，将其与相应移相角度的三角载波比较后得到斩波驱动脉冲，控制VT导通与关断，进而实现覆冰线路电压的连续调控。

图6 Buck斩波电路控制框图

3.2 Buck斩波电路参数设计

如果在TS时刻iL刚好降至0，则为iL连续的临界状态，这时I0和iL之间满足：

ΔiL=2I0

(12)

联合式(10)和式(12)，则有：

(13)

式中Lmin为L1的临界参数值，但是在实际应用时一般取临界值Lmin的1.2倍。由式(13)可知占空比D越小，Lmin越大。因此Lmin可以取一个相对较大的值，这样可以增大输出电压范围。

ΔU0为电容两端电位差，取值一般小于U0的10%。ΔU0与其他参数的关系为：

(14)

根据式(14)可求得Buck斩波电路的电容为：

(15)

4 融冰系统协同控制策略及经济性分析

4.1 附加Buck斩波的半桥型MMC融冰系统协同控制

前文所述两种调压方法增加了Buck斩波电路，要增加器件数量，导致设备成本上升。为降低成本，设计了两者的协同控制策略。首先根据需求确认所需融冰电压和电流，如果需要的电流电压较大，则采用半桥型MMC桥臂电压控制调压；如果所需电流电压较小，半桥型MMC无法适应融冰线路要求，则使用附加Buck斩波电路的半桥型MMC融冰装置调压，此时半桥型MMC运行在最小输出电压下，即最大调制比下，通过调整Buck斩波电路的占空比即可实现零起升压/升流，最终使直流电压稳定于目标电压。因此，通过半桥MMC与Buck斩波电路的协调配合，可以实现直流电压从0至额定值的连续调节，在满足不同融冰电流需求的同时降低器件使用数量。其具体流程如图7所示。

图7 融冰流程图

4.2 经济性分析

为说明所提装置的经济性，在相同功能下将其与全桥型MMC和混合比例为1:1的混合桥型MMC融冰装置做经济性比较，分别从IGBT、二极管、电容等器件的使用情况进行对比。设工作电压均为12.5 kV直流电压，每个桥臂有18个子模块(含冗余)。每个子模块采用额定电压为1.7 kV的IGBT器件、桥臂电感L0=0.003 185 H、子模块电容C0=20 mF。Buck斩波电路采用15个额定电压为1.7 kV的IGBT器件串联，且每个IGBT需要1个RCD缓冲电路进行均压(需要15个二极管，15个电阻，15个电容，电容和二极管配置同桥臂子模块的配置相同，电阻要承受二极管释放的能量)和5个额定电压为3.6 kV二极管、以及1个大小为6 mH的电感，1个大小为150 μF的电容。MMC中总电容容量EC、Buck斩波电路中电容容量EB如式(16)—(17)所示。

EC=0.5×18×6×20 mF×(0.9 kV)2=0.875 MJ

(16)

EB=0.5×150 μF×(12.5×0.85)2+

0.5×15×20mF×(0.9 kV)2

=0.129 5 MJ

(17)

经上述分析计算，3种相同功能的融冰装置所需器件数见表1，其中考虑了RCD缓冲电路使用器件个数。可以看出在3种装置中附加Buck斩波电路的半桥型MMC融冰装置使用的IGBT和二极管器件数量最少，相较于混合桥型融冰装置少了近1/3。虽然附加Buck斩波电路的半桥型MMC装置增加了电容，但通过计算其容量并不大，所以其经济性依旧优于其他两种。

表1 同一条件下3种融冰方案所需器件数对比

5 仿真分析

为了验证所提附加Buck斩波控制的半桥型MMC融冰系统的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了如图1所示的直流融冰系统仿真模型。正常运行时，MMC连接变比为35 kV：6.5 kV变压器的低压侧即6.5 kV侧的直流电压为12.5 kV，调制比m≈0.85，直流电流最大值为1.25 kA，R设为固定值10 Ω，上、下桥臂分别有18个子模块(包含裕度)。Buck斩波电路中L1=6 mH，C1=150 μF。

5.1 桥臂电压控制仿真分析

模型完成初始化后在0.5 s时启动半桥型MMC，利用交流系统电压对MMC进行不控整流充电，直至换流站直流侧电压达到交流系统线电压的幅值。0.1 s后解锁换流站进入可控充电阶段，通过流入的功率进一步提升直流侧电压至参考值。在1.2 s时设置直流电流参考值从1.061 5 kA成比例增加至1.25 kA，结果如图8(a)所示。图8(b)中的直流电压也随之成比例变化，从10.61 5 kV上升到12.5 kV。从图8(a)和(b)可以看出，在解锁控制后，半桥型MMC融冰装置可运行在10.615～12.5 kV中的任意值下。调制比约束在m

图8 最大调制比控制下融冰线路运行特性

图9为半桥型MMC融冰系统运行在不同直流电压情况下MMC交流母线电压总畸变率。

图9 运行在不同电压下的交流母线电压总畸变率

可以明确看出在调制比限制下，只改变桥臂电压直流分量，MMC交流母线谐波电压畸变率很小，对电能质量基本没有严重影响，因此半桥型MMC在桥臂电压控制下既可以实现连续的直流电压调节，又不影响交流母线的电能质量。

5.2 附加Buck斩波的融冰系统仿真分析

为验证Buck斩波电路能够在千瓦级电压等级实现对电压的控制，在MATLAB/Simulink中原半桥型MMC上加入Buck斩波电路，并合理设置电路参数，分析不同占空比下融冰系统的运行特性。

MMC出口直流电压设置为MMC运行在调制比约束下的最小直流电压Udcmin(10.615 kV)，并分别在占空比为0.8、0.5和0的情况下进行仿真，此时直流电压分别为8.5、5.312 5、0 kV，其运行特性如图10所示。

图10 不同占空比D下Buck斩波电路的运行特性

图10中分别给出了Buck斩波电路的PWM脉冲波形、融冰线路电压电流以及MMC换流器出口电压波形。由图10可知，融冰线路电压根据占空比呈线性变化，并且不影响MMC出口直流电压，电压一直维持在10.615 kV。由此，可以看出Buck斩波电路可在不影响MMC情况下实现对电压的连续调控。

图11为附加Buck斩波的半桥型MMC融冰系统在不同占空比运行下的MMC交流母线电压总畸变率，从图中可以看出畸变率不大，远远小于国家规定的电压畸变指标，所以附加Buck斩波控制的融冰系统运行于不同占空比下都不会影响MMC交流侧母线的电能质量。

图11 Buck斩波不同占空比下MMC交流母线电压畸变

6 结论

结合半桥型MMC与Buck斩波电路技术优势，提出了附加Buck斩波的半桥型MMC直流融冰系统结构及其协同控制方法，实现了对融冰线路上电压、电流的宽范围连续调控，并得到如下结论：

1)在半桥型MMC中使用桥臂电压控制，控制HBSM投入的数量，改变桥臂电压直流分量，实现了直流出口电压的自适应调整，其调节范围在15%左右；

2)引入Buck斩波电路，并设计根据电流变化调节占空比的融冰线路电压调控方法，增大了直流电压调节范围；

3)通过MMC桥臂电压控制和Buck斩波控制的协调配合，可在实现直流电压宽范围连续可调的同时提升融冰系统的整体经济性。