Improved MMC Sub-module Voltage Equalizing Strategy

肖　浩　高桂革　曾宪文　裴泽阳　叶　航

(上海电机学院电气学院，上海　200240)

改进的MMC子模块电压均衡策略

Improved MMC Sub-module Voltage Equalizing Strategy

肖浩高桂革曾宪文裴泽阳叶航

(上海电机学院电气学院，上海200240)

摘要：在传统子模块电容均压策略下,模块化多电平变流器(MMC)开关器件存在开关频率高、开关损耗大的缺点。对此，提出了一种改进的子模块电容均压策略。在原有电容电压排序法的基础上，通过设定子模块电压最大允许偏差值以及当前桥臂子模块开通数目来决定子模块的开通选择。分析了单纯依靠子模块电压偏差值确定子模块开通信号存在的问题。最后通过Matlab/Simulink软件仿真验证了该策略的有效性。

关键词：模块化多电平变流器最近电平逼近电压均衡开关损耗Matlab/Simulink

Abstract：In traditional sub-module capacitor voltage equalizing strategy, the modular multilevel converter (MMC) exists the defect such as the switching frequency of switching devices is high and the switching losses are high, thus the improved sub-module capacitor voltage equalizing strategy is proposed. On the basis of existing capacitor voltage sequencing method, through setting maximum allowable deviation of the sub-module and the current number of opening bridge arms of sub-module, to decide the opening selection of sub-module. The problems existing in the method that determining sub-module opening signal only depending on the value of sub-module voltage deviation are explained and analyzed. Finally, the effectiveness of this strategy is verified through Matlab/Simulink software simulation.

Keywords：Modular multilevel converter(MMC)Nearest level approximationVoltage equalizingSwitching lossesMatlab/Simulink

0引言

模块化多电平变流器(modular multi-level converter，MMC)最早由Marquardt R教授于2001年提出并申请专利，它由多个结构相同的子模块(sub-module,SM)级联构成。在柔性直流输电系统中，与传统两电平或者三电平拓扑结构的电压源换流器相比，MMC具有明显的优势[1-2]。

如何在动态过程中实现各个子模块电容电压的均衡控制，使得能量在整个换流器中均匀分配，是MMC拓扑实现的难点之一。文献[3]引入保持因子的控制方法，但该方法是一种非定量的方法；文献[4]提出了一种改变电压排序时间或子模块投切时间的电容电压平衡控制方法；文献[5]研究了采用载波移相调制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制方法。

本文提出了一种改进的MMC子模块电压均衡控制策略，通过量化子模块电压最大值与最小值偏差范围来达到降低开关损耗的目的。该控制策略控制简单，实现起来也十分方便，而且可以针对不同的应用范围调整偏差值的大小，从而实现在保证MMC输出谐波含量的前提下降低MMC开关损耗的目的。

1MMC基本原理

单相(a相)MMC的拓扑结构如图1所示。每一相有上下两个桥臂，每个桥臂有N个子模块(SM1~SMn)，上下桥臂之间串联两个限流电抗器。每个子模块由两个开关器件、两个反并联二极管和一个稳压电容组成。

图1　单相MMC拓扑结构

子模块的运行状态决定着MMC上下桥臂电压的输出值大小。子模块投入运行,则输出电压值为电容电压值，切除时输出电压值为零。子模块工作状态如表1所示。

表1　子模块运行状态

由图1所示单相MMC拓扑结构，根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律可知[5-10]：

(1)

(2)

式中：ua为MMC输出电压；uU、uL分别为上下桥臂对地点电压；L为限流电抗器电感值；udc为直流母线电压；idiff为同时流过上下桥臂的换流器内部电流。

联立式(1)和式(2)可以求得：

(3)

定义：

(4)

得到：

(5)

(6)

式中：m为MMC输出电压调制比。

(7)

正常运行时,在一个开关周期内会开通N个子模块，可得每个子模块电容电压平均值为：

(8)

式中：ud为每个子模块电容电压值。

子模块电容电压动态电压ud与电容电流id关系可以表示为：

(9)

式中：u0为电容电压初值。

当子模块导通时，id等效为桥臂电流，id正向流入，则ud增加;正向流出，则ud减小。当子模块断开时，ud保持初值不变。上下桥臂投入运行的子模块电容电压之和构成uU、uL。

2NLM调制策略

最近电平逼近调制(nearestlevelmodulation,NLM)方式的本质在于任意时刻投入若干个子模块构成的方波尽可能逼近于调制波。随着调制波瞬时值从0不断增大，单相下桥臂投入的子模块也不断增多，而上桥臂投入模块数随之减少，使输出波电压跟随调制波升高。在每个开关周期内，上、下桥臂需要投入子模块的数量为[11-14]：

(10)

正弦调制电压波经过式(10)得到上下桥臂需要开通的子模块个数，然后根据传统的子模块电压均衡措施，选择得到开通相应子模块的脉冲信号，最终得到NLM的调制信号。

3改进子模块电容均压策略

由式(10)可知，子模块电容电压是一个动态变化量，大小随着变流器的运行状态而不断改变，而根据式(6)可知，MMC控制的最终目的是要求每个时刻上下桥臂对地点电压uU、uL之和为恒定值udc，这就要求在实际控制中电容电压ud应保持均衡稳定。传统电容均压策略如下。

首先，对子模块电容电压进行实时采样，按照从小到大的顺序排序。

然后，根据桥臂电流方向判断对子模块电容充电还是放电。如果桥臂电流流入子模块，则电容充电，流出则放电。

最后根据式(10)得到桥臂子模块开通个数，产生子模块开通信号。充电时选择电容电压低的子模块开通，放电时选择子模块电容电压高的开通[4，14-15]。

然而传统的电容均压策略存在开关器件动作频繁、换流器损耗大的缺陷。基于此，本文提出一种改进的子模块电压均衡策略。在传统均压策略的基础上，设定电容电压最大值与最小值允许偏差ΔUref，当检测到的电压偏差值ΔU大于ΔUref且n为0、N时，则按照传统均压策略继续运行；当不满足判断条件时，则保持前一时刻子模块的开通信号。改进的控制策略框图如图2所示。

图2　改进的子模块电容均压策略框图

选择判断时，应该特殊考虑子模块开通个数n等于0、1、N-1和N的情况，以避免出现如下两种控制失败情况。

① 当前时刻ΔU小于ΔUref且上一时刻子模块开通个数n为0时，由于子模块开通选择信号保持上一时刻信号，子模块开通个数依旧为0，既不充电也不放电，ΔU的大小将不会发生改变，因此会导致子模块开通个数n一直保持为0，子模块电压值会陷入恒定不变的控制失败状态。出现该控制失败状态的仿真波形如图3所示。

② 当前时刻ΔU小于ΔUref且上一时刻子模块开通个数n为N时，由于子模块串联、电容参数相同以及子模块开通选择信号保持为上一时刻信号的特点，子模块开通个数依旧为N，所有子模块电容同时充电同时放电，ΔU的大小将不会发生改变，因此会导致子模块开通个数n一直保持为N，子模块电压值会陷入恒定不变的控制失败状态。出现该控制失败状态的仿真波形如图4所示。

图3　第一种控制失败下的子模块电容电压

图4　第二种控制失败下的子模块电容电压

4仿真分析

为验证该改进策略的有效性，本文在Matlab/Simulink仿真软件下搭建了单相MMC仿真模型，如图5所示，改进前后MMC同一子模块开关信号如图6、图7所示。仿真参数[6-7]如表2所示。

图5　单相MMC仿真模型

图6　传统均压策略下MMC触发脉冲信号

图7　改进均压策略下MMC触发脉冲信号

参数名称取值 上下桥臂子模块数N16 电容电压偏差最大允许值ΔUref40V 直流母线电压udc40kV 桥臂电抗器L15mH 子模块电容C7000μF 电容电压初始值U02500V 调制波频率f50Hz 系统采样频率fs10kHz 单相交流系统电压幅值us20kV 交流系统电阻Rs0.03Ω 交流系统电感Ls5mF MMC输出电压调制比m1

研究了ΔU的大小对系统输出电压波形谐波含量THD、子模块开关频率f、子模块电容电压波动范围u的影响，如表3所示。

表3　ΔU大小对系统相关参数的影响

由表3可知，随着ΔU的不断增大，子模块开关频率不断降低，对应的开关损耗也会相应减小;然而输出电压波形的谐波含量将不断增加，子模块电压波动范围也会不断加大。

5结束语

本文以MMC子模块电容均压为研究对象，在NLM调制策略下通过设定子模块电压最大允许偏差值以及当前桥臂子模块开通数目来决定子模块的开通选择。当偏差值小于设定允许值以及桥臂子模块不完全投入和不完全切出时,更新子模块开通信号，否则保持上一状态的开通信号。解释并分析了单纯依靠子模块电压偏差值来确定子模块开通信号存在的问题。该改进的均压策略可达到降低开关器件动作频率、减小换流器损耗的目的。

采用Matlab/Simulink软件搭建了该仿真模型，分别对比了两种均压策略下子模块电压波形、MMC输出波形以及开关器件的触发信号，验证了该策略在设定子模块电压最大允许偏差值的条件下降低了开关器件的动作频率，减小了变流器损耗。但是应当指出的是，随着偏差设定值的不断增大，开关器件的动作频率不断降低，同时MMC输出波形谐波含量也不断增加。对于并网的MMC系统，应选择合适的偏差设定值，既能使输出波形谐波含量达到要求，也能够降低开关器件的开关频率。

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中图分类号：TH89;TM502

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508004

修改稿收到日期：2015-01-06。

第一作者肖浩(1990-)，男，现为上海电机学院电气工程专业在读硕士研究生；主要从事海上风电并网的研究。