面向新型电力系统的模块化多电平换流器控制策略研究

冯忠奎，杜晨阳，高 瑜，于 洋，吕东飞

（1.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255000；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000）

0 引言

光能、风能等新能源发电的发电效率常受制于自然因素的变化，导致新能源并网具有不稳定性，而这无疑对电力系统的稳定性产生不利影响。储能系统可以储存和输出电能，可在一定程度上提高电能质量和电力系统稳定性，故新能源并网离不开储能系统和电力电子器件。目前大部分储能系统都是由储能单元与储能变流器组成，它们之间通过串联、并联进行连接，如果一个储能单元损坏，可能会导致整个储能系统的故障甚至引发严重事故，而在模块化多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）中，所有的子模块都是通过级联的方式连接在一起，这种连接方式能增强储能系统运行的稳定性与可靠性。MMC 结构特殊，其子模块之间是通过级联结构联系起来的，这不但能提高储能系统运行的稳定性与可靠性，还能使其具有良好的交流故障穿越能力［1］。相比于传统储能系统，由储能单元和模块化多电平变换器组成的储能MMC 的优势主要体现在与交直流电网进行能量传递时，其在很大程度上提高了交直流电网的可靠性。为实现储能功能，在原有MMC 的子模块直流侧增加蓄电池，最终得到的储能型MMC 可以广泛地应用于柔性直流输电相关设备中［2］。

对于储能型模块化多电平换流器而言，综合控制主要包括：调制策略、储能型MMC 的控制以及Boost 模式下的双向DC/DC 变换器的控制，其中调制策略是研究的重点［3-4］。目前调制策略主要采用载波移相调制策略，但是此方法需要利用控制外环来对电路系统稳定性进行控制，容易出现不稳定的现象［5-6］。吉宇［7］、彭也伦［8］等学者开始对定频积分逼近调制方式和定频电流滞环调制方式进行深入研究，但是这两种调制方式操作比较复杂。文献［9］提出一种将储能单元的输入输出端分别连接在子模块电容的输入输出端的荷电状态（state of charge，SOC）平衡控制策略，虽然控制策略比较简易，但此连接方式会在系统中产生二次低频谐波，极大地降低了储能单元的使用时间。文献［10］提出在使用已有调制策略的基础上加入SOC 均衡控制策略来保证同一桥臂的子模块SOC 保持在该相平均值附近，提高了输出波形的稳定性。文献［11］提出环流抑制策略，该策略有效降低了低频交流脉动分量及公共直流的输入输出端的功率波动，有利于提高MMC 系统的稳定性以及可靠性。文献［12］和文献［13］通过控制环流和功率，最终实现相间和桥臂二者之间以及子模块功率、相间、桥臂三者之间的SOC 均衡。

文中通过最近电平逼近调制与脉宽调制相结合的调制策略对储能型MMC 进行控制，在保证理想波形的同时降低了开关损耗，利用MATLAB/Simulink 平台搭建储能型模块化多电平换流器的电路模型并进行仿真计算，仿真结果表明该控制策略合理、有效。

1 储能型MMC的基本原理

1.1 拓扑结构

储能型MMC 的主电路、带储能单元的半桥子模块以及双向DC/DC 变换器工作于Boost 模式时储能单元的拓扑结构如图1 所示，MMC 的A 相、B 相和C相组成三个相单元，如图1（c）所示。在每个相单元中，都含有上、下两个桥臂，所以研究的储能型MMC共含有6 个桥臂，这6 个桥臂结构相同，由N个储能子模块（energy storage sub-module，ESSM）组成，子模块之间的连接方式为串联级联。如图1（c）所示，Udc为额定直流电压，Upa、Una、Upb、Unb、Upc、Unc为桥臂的输出电压，Uc为子模块电容两端的电压，idc为直流侧两端的电流，iap、ian、ibp、ibn、icp、icn为桥臂电流，R为桥臂电阻，L为桥臂电感，C为子模块电容，Lm为储能单元电感，UE为储能单元电压［14］，USM为半桥子模块中桥臂电压。

图1 储能型MMC拓扑结构Fig.1 Topology of MMC with energy storage

1.2 基本工作原理

储能是指将电能、风能、光能、热能等能量通过物理或化学方式转变为其他方便存储的形式进行存储，当需要能量时，再将之前存储的能量以热能、电能或机械能等所需的能量形式输出使用。随着对储能技术研究的持续深入，电化学储能技术日趋成熟，逐渐成为整体性能最好、应用最广泛的储能技术，即电池储能（battery energy storage，BES）。电池储能在能量密度、供电时间和稳定性等层面具有优势，其凭借着高能量密度、良好的循环寿命、较高的效率等优点在各种领域投入运用，成为储能技术现阶段很重要的方式［15］。

储能型MMC 借助双向DC/DC 变换器实现蓄电池与MMC 的连接，将MMC 子模块直流侧的输入输出端与蓄电池直接相连，结构简单，操控便捷；由于通过串并联进行连接的开关器件会因为连接方式产生均压、均流等问题，因此模块化多电平换流器中的开关管通过级联的方式进行连接；由于MMC 的结构为多电平结构，滤波电容、滤波电感数量较少［16］；如果使用双向DC/DC 变换器，可在储能单元和子模块电容之间实现解耦，这不但可以增加储能单元的工作时长，还能增强系统的可靠性，也可通过控制双向DC/DC 变换器中的绝缘栅双极晶体管（insulate gate bipolar transistor，IGBT）开关器件控制储能元件的充放电状态。当子模块或子模块中的蓄电池发生故障时，操作人员通过控制双向DC/DC 变换器中开关器件，将发生故障的子模块切除，防止系统因子模块故障出现一系列运行不稳定问题。

2 储能型MMC基本控制策略

储能型模块化多电平换流器综合控制主要包括：调制策略、储能型MMC 的控制以及Boost 模式下的双向DC/DC 变换器控制。而储能型MMC 的控制又包括电压电流双闭环控制和均压控制，以及Boost模式下对双向DC/DC 变换器的控制［17］。文中对储能型模块化多电平换流器的整体控制策略如图2所示。

图2 储能型模块化多电平换流器整体控制Fig.2 Overall control of modular multilevel converter with energy storage

图2 中，Uoref为交流电压参考值，Uo为交流电压，Us为子模块输出电压，iL为电感电流，iLref为电感电流参考值，g为输出信号，PWM 为脉宽调制，P*为有功功率，Q*为无功功率，Ud和Uq为经dq变化的三相交流电压，id*和iq*为以dq轴为基础的正序电流参考值；id和iq分别为正序电流在d轴和q轴上的分量，idmax、idmin分别为正序电流在d轴上的最大值和最小值，iqmax、iqmin分别为正序电流在q轴上的最大值和最小值，Usd和Usq为交流电网电压前馈项，ω为基波角频率，ed和eq为电流控制器输出变量，NLM 为最近电平逼近调制，Upj和Unj为均压控制输出变量，同时也是PWM 及NLM 的输入变量，g为调制后的输出信号。

2.1 调制策略

储能型MMC 主要由两个部分组成，分别是模块化多电平换流器和双向DC/DC 变换器。调制策略是指在系统仿真时，将调制波转化为数字驱动信号，驱动信号作为输入信号传递到变换器电力电子器件的输入端，从而对储能单元的充、放电及MMC 的输出起控制作用，最终获得系统需要的电流波形与电压波形。调制策略的选择不仅影响整个系统的输出，还对系统的稳定性产生一定影响，当前应用最广泛的调制策略主要有阶梯波调制策略和脉宽调制策略等［18］。

阶梯波调制策略包括特定谐波消除阶梯波调制和最近电平逼近调制。特定次谐波消去阶梯波调制（selected harmonic elimination pulse width modulation，SHE-PWM）是通过控制IGBT 等开关器件地占空比来消除对应的谐波分量，使系统能够稳定地输出控制谐波。这种调制方法能够降低IGBT 等开关器件的开关频率，使系统的损耗降低，但是该方法利用非线性超越方程计算开关点所产生的开关驱动信号，方法比较复杂，一般不采用此种方法；最近电平逼近调制的方法比较简单容易实现，通过以正弦电压为参考，使子模块输出的电压逼近正弦电压。但当子模块数量较少时，采用这种方法也不能输出质量高的波形，不能实现系统的稳定运行。

脉宽调制策略包括载波移相调制和空间矢量脉宽调制。对于模块化多电平换流器来说，载波移相调制是一种较为理想的调制方法，它是指将MMC 对应输出的调制波分别依次相差固定的相位角，再和正弦波相比，从而能够得到与模块化多电平换流器对应的驱动信号，这些信号控制IGBT 等开关器件，每个子模块电压相加得到直流侧电压。由于三相桥臂内的各个子模块的投切比例近似一致，因此在运行时利用其对称性可以自动实现子模块的平衡。但是实际使用过程中，MMC 经常处于不对称运行的情况，若采用这种调制策略需要给每个桥臂的所有子模块输出的调制波中添加控制来实现平衡。这不仅使整个系统复杂化，也会增加成本；空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）指的是依据电压矢量通过空间矢量的旋转，从而实现输出电压的波形，根据空间矢量图的位置来确定IGBT等开关器件的开通、关断及IGBT 等开关器件的导通时间。这种调制策略通常用于两电平以及三电平逆变器或者整流器中，空间矢量脉宽调制可使IGBT 等开关器件的开关频率降低，能够提高电压利用率，能够维持电压的稳定。若只采用载波移相调制策略，当MMC 中子模块电容出现电压失衡的现象时，采用这一种办法会影响系统的稳定性。

所研究储能型MMC 中每个桥臂仅含有4 个子模块，故采用脉宽调制和最近电平逼近调制两种方式一起对系统实现调制的调制方式，在得到理想波形的同时，把开关器件的损耗降到了最低。

2.2 电压电流双闭环控制

1）电流内环控制器的设计。

电流内环控制器是通过对MMC 两端的输出电压进行调整的方式，使上下桥臂电流和其参考值相符。考虑d轴与q轴会产生耦合现象，因此需要在引入交流电网电压前馈项Usd、Usq以及电压耦合补偿项ωLid、ωLiq后，利用比例积分对系统进行控制，最终获得变量即为电流控制器的输入变量。电流内环控制的原理如图3 所示。

图3 电流内环控制方式Fig.3 Current inner loop control mode

2）外环控制器的设计。

外环控制器的主要动作依据包括模块化多电平换流器中无功功率和有功功率的变化情况以及直流电压的实际计算变化情况等，对已有数据进行数学运算和推导，直至最后得到内环电流的参考值。当电路中电流值超出了电力电子器件的容量，那么储能型模块化多电平换流器中的电力电子器件将遭到损坏。为防止储能型MMC 的电流过载，将负序电流的参考值设定为0。为防止桥臂电流超过电力电子器件的容量而损坏电路，一般采用电压外环控制与功率控制中的无功功率控制，也可将有功功率和无功功率的控制结合起来使用。

2.3 均压控制

均压控制可以更好地均分储能型模块化多电平换流器桥臂中的功率，桥臂中4 个子模块投切比例不同会影响子模块电容的充电、放电时间［19］。对均压控制采用电压排序的方法，电压排序控制采用的策略如下。

1）首先根据已获得的电容电压值，对每个桥臂内4 个子模块排序。

2）通过桥臂的电流方向，推导出子模块电容的状态。

3）当MMC 子模块处于电容的充电阶段时，将各个子模块参照电容电压的大小进行排序，然后以由低到高的次序投入；当MMC 子模块处于电容的放电阶段时，将各个子模块参照电容电压的大小进行排序，然后以由高到低的次序投入。

2.4 双向DC/DC控制

双向DC/DC 变换器作为连接储能单元与子模块的控制器件，对其实现良好的控制［20］，能够直接控制储能单元的充、放电。

1）电流环比例积分（proportion-integral，PI）参数的设计。

为简化分析，将电流环设计成比例调节器，得PWM 发生器的传递函数KMOD为

式中：A为锯齿波峰值。设双向DC/DC 控制器的输出电压Uo的大小和交流侧电感L的大小满足：

忽略电流环采样的一阶惯性环节及PWM 控制的小惯性环节，则电流环闭环传递函数Wt_colse为

式中：τ=Pk/A，其中P为电流环比例环节的比例系数，k为电流环频宽调节系数，为了方便运算分析取P=A。

2）电压环PI 参数的计算。

忽略惯性环节，将电压环设计成PI 环节，并将最终输出值与输出参考值设计一个负反馈环节。此外，将电压开环设计成典型I 型系统，且取开环增益K与时间常数T的乘积KT=0.5，则求得PI 参数为

式中：Kp为比例系数；KI为积分系数。

根据以上设定，Boost 型双向DC/DC 的控制结构如图4 所示。

图4 Boost型双向DC/DC控制结构Fig.4 Boost bidirectional DC/DC control structure

3 仿真验证

3.1 仿真模型的建立

在分析储能单元及储能型MMC 的工作原理之后，利用MATLAB 软件中的Simulink 仿真模块搭建储能型MMC 电路模型，如图5 所示，以检验所研究控制策略的合理性与有效性。以工作于Boost 模式的双向DC/DC 变换器为例进行模拟仿真，直流电压源向子模块输送能量，子模块通过模块化多电平换流器与电力系统进行功率输送。

图5 储能型MMC仿真系统主电路Fig.5 Main circuit of MMC with energy storage simulation system

由储能型模块化多电平换流器的对称性可知，6 个桥臂的主电路一致。以A 相上桥臂电路图为例，A 相上桥臂是由4 个带储能的半桥子模块级联而成的，所以A 相上桥臂电压是根据4 个子模块的投切决定的，而子模块输出的电压通过双向DC/DC变换器进行控制。储能单元中采用150 V 直流电压源代替蓄电池对储能型模块化多电平换流器进行仿真验证。仿真实验采用的参数设置如表1所示。

表1 储能型MMC仿真系统的主电路参数Table 1 Main circuit parameters of MMC with energy storage simulation system

储能型模块化多电平换流器的控制部分包括：调制电路、电压电流双闭环控制、均压控制、以Boost型为例的双向DC/DC 变换器控制。

调制电路是通过将桥臂电压与给定的200 V 电压进行比较，从而确定桥臂中投切的子模块个数；电压电流双闭环控制是以给定的参考值为基础，使实际值跟随参考值，防止发生由于电流导致电路损坏的现象［21］；均压控制采用电压排序的方法，使桥臂中4 个子模块在投切后功率均分，确保系统的可靠性和稳定性；双向DC/DC 变换器的控制（以Boost 型为例）通过SPWM 调制，控制IGBT 开关管的开断，从而控制子模块输出电压［22］。

3.2 仿真结果分析

对储能单元进行SPWM 调制控制，从而控制双向DC/DC 变换器中IGBT 的开断，进而控制储能单元的充、放电。储能单元中流经电感的电流波形如图6 所示，流经电感的电流随着储能单元放、充电的增加而减小。

图6 储能单元流经电感的电流波形Fig.6 Current waveform of the energy storage unit flowing through the inductor

此外，仿真得到的6 个桥臂对应的电容电压波形如图7 所示，储能型MMC 的子模块电容电压随着储能单元充、放电变化在200 V 波动，均压控制通过将子模块的电容电压按次序进行排列，以保证各个子模块的投切概率相同，从而实现子模块电容电压的动态平衡，降低输出电容电压的波动程度。

图7 6个桥臂对应的电容电压波形Fig.7 Capacitor voltage waveforms with 6 bridge arms

仿真输出波形如图8 所示，由图8（a）与上文可知，流经电感的电流与电容电压都实现了稳定的输出，验证了控制策略的有效性。

图8 稳态电流波形仿真结果Fig.8 Simulation results of steady-state current waveform

由于模型中电压电流采用了双闭环控制方式，使实际电流值跟踪参考值，以防出现过电流的现象损坏电路，储能型模块化多电平换流器的调制策略通过将调制波转换为数学信号来控制系统中开关器件的开断，进而实现系统的稳定运行。桥臂的电流波形如图8（b）、图8（c）所示，每一相电流和6 个桥臂的电流的波形都近似于正弦波，可见储能型MMC 能够稳定运行，验证了控制策略的有效性。

4 结束语

为提高能源利用率，解决电网老化，减少电力损耗等问题，“智能电网”这一概念被提出，而储能系统凭借着其能将发电与用电在时间和空间上解耦的特点成为“智能电网”中的关键技术。

储能系统分为储能单元与储能功率转换系统，文中选择模块化多电平换流器作为其储能功率转换系统，采用最近电平逼近调制与脉宽调制方式一起对系统实现调制的策略，在保证理想波形的同时增加了开关器件的工作时长。对储能型MMC 采用均压控制、电压电流双闭环控制、Boost 模式下双向DC/DC 变换器共3 种控制方式。使用MATLAB/Simulink 建立储能型MMC 的电路模型进行仿真，仿真结果表明所提控制策略合理、有效。