罗永捷，李子欣，李耀华，王 平

（1.中国科学院电工研究所中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学，北京100039）

一种模块化多电平换流器分布式均压控制策略

罗永捷1,2，李子欣1，李耀华1，王 平1

（1.中国科学院电工研究所中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学，北京100039）

应用于柔性高压直流输电领域的模块化多电平换流器，其桥臂级联功率模块数量通常多达数百个；而现有的阀控系统电容排序均压策略存在运算量大、硬件实现困难等问题。针对该问题，首先提出了一种分布式模块电压均衡控制策略；然后通过将桥臂中的功率模块分组，把桥臂电容电压平均值作为参考值。分组模块电压平均值作为反馈值，对各分组功率模块导通数动态调整，在保证电压均衡效果良好的前提下，有效降低控制系统处理器的运算量。该策略中所有功率模块均能实现故障冗余，而不会降低换流器整体冗余能力。最后在PSCAD/EMTDC中构建HVDC系统进行仿真验证，仿真结果证明了该策略的正确性和有效性。

高压直流输电；模块化多电平换流器（MMC）；均压算法；分布式控制；冗余模块

引言

基于电压源型换流器的柔性高压直流输电技术VSC-HVDC（voltage sourced converter based high voltage direct current）以其在可再生新能源并网、城市直流配电网、交流异步电网互联以及孤岛供电等领域的广阔应用前景，日益获得广泛关注［1-5］。

德国学者Rainer Marquardt于2003年提出了模块化多电平换流器MMC（modular multilevel con-verter）拓扑［5］。与传统的两电平、三电平VSC拓扑相比，MMC采用模块化设计、输出电压谐波小、功率器件开关频率低，尤其适用于VSC-HVDC系统。

基于MMC拓扑的运行原理，功率模块的电容电压均衡控制是保证MMC稳定运行的基础。现有研究对MMC的模块电容均压控制进行了广泛而深入的研究［6-10］。根据调制策略的不同，模块电容均压控制可分为2类：（1）功率模块增加闭环均压控制；（2）调制策略中增加均压算法，以电容电压排序算法为代表。前者需要每一个功率模块增加额外的硬件电路和控制算法，这在实际工程中是难以实现的。因此，目前投运的MMC-HVDC均采用第2类均压算法。

现有研究主要从降低开关频率以减少损耗的角度对均压策略进行了深入研究。文献［6,7］在传统均压算法基础上进行改进，其控制重点在于避免因排序算法导致的同一IGBT不必要的反复投切现象，从而有效降低了功率器件的开关损耗。文献［9］则通过存储上一次排序结果对当前电压进行“双排序”，当投入模块数变化时，尽可能地保持当前模块状态不变，从而降低模块投入切除的频率，但电容电压均衡效果较差。

在高压大容量的HVDC场合中，MMC通常包含大量功率模块，每个桥臂由高达数百个功率模块级联而成。例如中国南方电网公司在广东南澳岛的全球首个±160 kV三端柔性直流输电系统，其MMC换流站每桥臂含有220个功率模块；中国云南电网与广西电网异步互联工程中，MMC换流站每桥臂高达468个功率模块。这种情况下，基于排序算法的均压调制策略，因控制系统运算量十分巨大，对控制系统处理器提出了很高的要求。进一步提高电压等级带来的功率模块数量增加，使得传统排序均压算法难以应用，在一定程度上阻碍了MMC在HVDC领域的发展应用。文献［6］在传统排序算法基础上提出了简化算法，将平衡控制的重点放在偏离额定电压值较多的功率模块上，并允许电容电压存在一定的差异；但这种方法仍需对所有功率模块排序和均衡控制。

另外，为了提高换流器在运行过程中的可靠性，MMC每个桥臂中的功率模块均有冗余设置:当模块化多电平变流器在运行过程中出现某些功率模块故障，但故障模块的数量不超过设计要求范围，则这些功率模块会自行旁路，而不会影响整个换流器的运行或者使系统停机。广东南澳±160 kV三端柔性直流输电工程中，MMC的冗余功率模块数量为10%，即每个桥臂中出现故障的功率模块数量只要不超过桥臂功率模块总数量的10%，则出现故障的功率模块会自行旁路，而整个换流器继续运行。对于模块化多电平换流器的控制系统来说，其对功率模块的电压均衡控制算法应该保证在故障的功率模块被旁路的前后均能实现良好的效果，而不应该受模块故障的影响。文献［10］对桥臂功率模块进行分组，模块组整体进行投切，能有效降低排序算法的运算量；但当某一模块组内部功率模块发生故障旁路时，模块组电压将显著降低，因此这种方法不具备功率模块冗余能力。文献［12］分析了应用于模块化多电平换流器的控制器三级构架，能够减少模块与控制器之间的光纤连接数量。

针对现有均压排序算法存在的问题，本文提出一种具备功率模块冗余能力的分布式电容电压均衡控制策略。在分析MMC运行机理的基础上，研究应用于HVDC系统的MMC控制系统。传统均压算法中，对所有功率模块进行统一排序和均压控制极大的增加了排序运算矩阵的秩，产生了很大的运算量。本文提出的分布式均压策略在功率模块分组控制系统（valve group control）中进行分布式排序和均压控制，能够有效降低排序运算量，并且具备功率模块冗余能力。该策略在单相和三相MMC系统中均适用。

1 MMC基本原理

如图1所示，MMC电路拓扑由6个桥臂构成，每桥臂包括N个功率模块（SM）和桥臂电感L；上下两个桥臂构成一个相单元。图1中uio为交流输出电压，o为假想的交流相电压中点，i=a，b，c；Udc为直流母线电压。功率模块由2个全控型半导体开关器件和直流电容构成，包括3种工作状态：输出+ Uc、0和闭锁状态。K1和K2分别代表晶闸管和旁路开关。

图1 MMC电路拓扑Fig.1 Topology of MMC

以A相为例，MMC交流输出电压uao可表示为

式中：uau和ual分别为上、下桥臂电压。则桥臂电流iau和ial分别为

式中：ia为A相电流，idc和idiff为直流分量和环流分量。则上、下桥臂参考电压uau_ref和ual_ref分别表示为

式中：M为调制比；ω为工频角频率；δ为相位角。

2 MMC电压均衡控制

2.1 传统调制均压策略

应用于高压大容量场合的MMC换流器通常每个桥臂由数百个功率模块级联，输出电压谐波含量非常小。因此调制和均压算法的简单性、快速性、能否占用较少的硬件资源成为更受关注的因素。相对于SVPWM、SHE等调制方法，最近电平逼近NLM（nearest level modulation）能够有效降低开关器件的开关频率且易于实现，因此在现有的MMC-HVDC工程中，通常采用NLM调制策略。电容电压均衡控制则采用排序算法，其基本原理为：实时监测所有功率模块电容电压以及桥臂电流，同时对桥臂模块电压进行排序，再根据桥臂电流的方向选择投入/切除的模块；当电流为正时，选择电压最低的模块投入，使电容充电，当电流为负时，选择电压最高的模块投入，使电容放电，从而实现电容电压均衡。以外环控制直流电压为例，其闭环控制框图如图2所示。

图2 MMC闭环控制框图Fig.2 Closed loop control block diagram of MMC

在实际HVDC工程中MMC控制系统一般包括2部分：（1）换流器控制保护系统CCP（converter control protection），负责整个换流器宏观电气量，包括如交直流电压、电流，有功、无功功率等；（2）功率模块分组控制系统VGC（valve group control），负责换流器调制和功率模块电容电压均衡控制。由于MMC模块数较多，排序算法会大大增加VGC处理器的运算量，增加硬件实现的难度。

2.2 分布式均压控制策略

针对传统电压均衡策略存在的问题，提出一种改进的分布式电压均衡控制策略。将MMC每桥臂N个功率模块分为M组，第i个功率模块分组对应其分组控制系统VGC_i。每个VGC_i负责该功率模块分组的电压均衡控制，根据桥臂所有功率模块电容电压平均值和各自功率模块分组电容电压平均值，动态分配每个功率模块分组控制系统VGC_i所需导通的功率模块的数量。

MMC采用NLM调制方法，根据式（3）计算出A相上下桥臂导通模块数Non为

式中，Usm_av为功率模块电容电压平均值。同理可求得其他桥臂导通模块数。因此，前M-1个功率模块分组中第i个分组的导通模块数Non_i为

式中：Narm_on为某一桥臂导通模块数；Narm_all为桥臂总模块数；Nall_i和Nfault_i分别为第i个功率模块分组的总模块数和故障模块数，i=1,2,…,M-1。

为实现各模块分组内电容电压均衡，以桥臂电容电压平均值为参考值，功率模块分组电压平均值为反馈值，闭环控制输出值作为各分组导通模块数的修正量。控制框图如图3所示，图中Uc_arm为桥臂电容电压平均值，Uc_i为第i分组电容电压平均值。

图3 分布式均压控制框图Fig.3 Distributed voltage balance control scheme

结合上述分析，第M个模块分组导通数Non_M为

由此实现所有功率模块分组导通模块数的动态分配。以某单个桥臂为例，MMC分布式控制系统如图4所示。该策略能够实现换流器功率模块电容电压均衡算法的分布式运算，减小控制系统的运算负担；此外，在功率模块出现故障情况下，仍能维持健全模块的电压均衡控制，维持安全稳定运行，同时不影响整个换流器可冗余运行的功率模块数量。

图4 分布式均压控制系统示意Fig.4 Sketch map of distributed voltage balance control system

3 仿真验证

3.1 仿真模型及参数

为验证本文提出的分布式调制均压策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了MMC-HVDC系统如图5所示，并进行仿真验证。MMC仿真模型的控制系统见图4，其中CCP采用闭环控制，控制目标为直流电压和有功功率；VGC采用分布式调制均压策略，每桥臂包含11个功率模块分组控制系统VGC，各自对应40个功率模块。仿真系统采用数字控制，模型参数如表1所示。

图5 MMC-HVDC仿真系统Fig.5 Simulation system of MMC-HVDC

表1 仿真模型参数Tab.1 Parameters of simulation system

3.2 仿真验证

MMC系统正常运行于功率传输模式，其中换流站1控制直流母线电压，换流站2控制有功功率，传输有功功率500 MW，无功功率250 Mvar。

仿真实验结果如图6所示。以换流站1为例，有功功率和直流母线电压如图6（a）所示。换流站1向交流侧输出有功功率486 MW，吸收无功功率243 Mvar。此时换流站2向交流侧吸收有功功率500 MW，HVDC系统损耗14 MW。换流站1的交流侧电流峰值约为1 200 A，A相桥臂电流和模块电压如图6（b）、图6（c）所示。以功率模块分组控制系统VGC_1和VGC_2为例，由图6（d）和图6（e）可见，每个功率模块分组内部电容电压均衡效果良好，模块电压平均值为1 600 V，电压波动范围约为±70 V；不同功率模块分组的电容电压值基本相同。由此可得，桥臂内所有功率模块电容电压均衡效果良好且各组模块电压维持稳定一致。仿真实验结果可以验证，在直流电压/有功功率闭环控制下，MMC-HVDC系统能够稳定运行并完成功率传输，直流母线电压稳定在额定值700 kV。在本文提出的分布式调制均压策略下，控制系统能够实现桥臂级联功率模块的电容电压均衡稳定，为MMC的安全稳定运行提供了条件。

图6 仿真实验波形Fig.6 Waveforms of simulation results

4 结语

本文对采用最近电平逼近调制策略的MMC均压控制进行改进，提出一种分布式电压均衡调制策略。该策略能有效降低换流器控制系统的运算负荷，降低了硬件实现难度；同时，保证MMC所有冗余模块均具备故障冗余能力。PSCAD仿真分析表明，本文提出的分布式调制均压策略是可靠有效的，在有效降低控制系统处理器运算量的前提下能够满足HVDC系统的安全稳定运行。

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罗永捷

张波

作者简介：

张波（1962-），男，通信作者，博士，教授、博士生导师，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail:epbzhang@scut.edu.cn。

丘东元（1972-），女，博士，教授，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail:ep dyqiu@scut.edu.cn。

付坚（1991-），男，硕士，研究方向：高压变换器，E-mail:819057168@qq.com。

A Distributed Control Method for Voltage Balancing in Modular Multilevel Converters

LUO Yongjie1,2,LI Zixin1,LI Yaohua1,WANG Ping1
（1.Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive,Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China）

The number of power modules in a modular multilevel converter（MMC）for HVDC transmission system is typically more than one hundred,and the large number of modules creates a computational challenge for processer of voltage balance controller.To deal with this problem,firstly,a distributed control method for voltage balancing is presented,which can reduce the amount of computation.Then,in this method,all modules in arm are selected in several groups and the average voltages of the arm and the groups are used to build a closed control loop.What is more,the redundancy capability of MMC will not be lower with this strategy.A MMC based HVDC simulation system is developed. Simulation results validate the auuray and the effectiveness of the presented method.

high voltage direct current transmission;modular multilevel converter（MMC）;voltage balance method; distributed control;redundant module

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.77

：TM 46

：A

罗永捷（1988-），男，通信作者，博士研究生，研究方向为模块化多电平换流器和柔性直流输电，E-mail:luoyongjie@ mail.iee.ac.cn。

李子欣（1981-），男，博士，副研究员，研究方向为电力电子变流系统，E-mail:lzx@mail.iee.ac.cn。

李耀华（1966-），男，博士，研究员，研究方向为电力电子变流技术，电机分析与控制技术等，E-mail:yhli@mail.iee.ac.cn。

王平（1955-），男，高级工程师，研究方向为电力电子，E-mail:wangping@mail. iee.ac.cn。

2015-07-10

国家高技术研究发展计划（863计划）课题“交直流混合配电网关键技术”（2015AA050102）

Project Supported by the National High Technology Research and Development Program（863Program）（2015AA050102）