魏 亮，馬文忠，劉 勇，王 曉，趙華芳

（中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，青島 266580）

DC/DC/AC混合型MMC變換器控制策略分析與設計

魏 亮，馬文忠，劉 勇，王 曉，趙華芳

（中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，青島 266580）

研究了一種可以實現(xiàn)電能不同形式綜合利用的DC/DC/AC混合型模塊化多電平變換器（MMC），該結構的變換器實現(xiàn)了電壓變換功能的多樣化。首先，分析了該種可以同時實現(xiàn)DC/DC與DC/AC混合電壓變換的模塊化多電平變換器拓撲結構；然后，利用功率正交原理，設計了DC/DC/AC混合型模塊化多電平變換器的閉環(huán)控制策略；最后，在給定交流負載側交流電流的前提下，實現(xiàn)了各個橋臂子模塊電容電壓的均衡控制。仿真結果驗證了所提出的DC/DC/AC混合型模塊化多電平變換器電壓變換功能的可行性以及控制策略的有效性。

模塊化多電平變換器（MMC）；DC/DC變換器；DC/AC變換器；電容電壓平衡

引言

隨著能源的短缺和環(huán)境的惡化，我國的能源開發(fā)和利用己從傳統(tǒng)能源向綠色可再生能源過渡，風能、太陽能等大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)，有效解決了此問題，但其間歇性、隨機性的特點，也為新能源的接納提出了挑戰(zhàn)。多端柔性直流輸電技術作為可再生能源接入電網(wǎng)的有效手段，以其有功無功獨立控制、無需濾波及無功補償設備、可向無源負荷供電等優(yōu)勢，越來越受到電力行業(yè)的青睞。由于直流電網(wǎng)的電壓等級尚未有統(tǒng)一標準，因此對于不同等級的直流電壓，需要用DC/DC變換器進行互聯(lián)。

針對大功率DC/DC變換器，國內外已經(jīng)開展了相關研究，并卓有成效［1-4］?，F(xiàn)有高壓大功率DC/DC變換器有2種拓撲：多個小容量變換器模塊串并聯(lián)和模塊化多電平變換器［5］。模塊化多電平變換器MMC因其結構模塊化、電平拓展方便等優(yōu)點得到了深入研究，并在其調制策略、電容電壓平衡、環(huán)流抑制、容錯運行等方面取得一定的成果［6-13］。已被廣泛應用在高壓直流輸電HVDC、風力發(fā)電等領域。傳統(tǒng)直流變換器的容量小、系統(tǒng)級聯(lián)困難等因素限制了直流變換在大功率場合的應用，而模塊化多電平結構則可以克服傳統(tǒng)系統(tǒng)容量拓展困難的問題。文獻［14］分別設計了單向DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器，闡述了2種變換器的拓撲結構、工作原理以及控制方式，對比了新型變換器的優(yōu)缺點；文獻［15］提出了2種基于模塊化多電平的直流變換器結構，并在模塊化多電平回路中注入高頻電流來平衡子模塊電容，通過將該種控制策略應用于直流模塊化多電平變換器中驗證了該控制策略的正確性；文獻［16-17］提出一種雙向全橋式模塊化DC/DC變換器，并詳述了其工作原理以及控制過程，但其結構中含有變壓器，在正常工作時的功率損耗較大；文獻［18］提出一種新型的模塊化多電平DC/DC變換器（DC-MMC）具有能量雙向流動以及故障阻斷能力強等優(yōu)點，其功率損耗小，內部無需變壓器，且其結構為模塊化的結構，易于實現(xiàn)電壓等級的拓展，適合于大功率、高壓大電流的場所。同時文獻［18］實現(xiàn)了DC/DC變換過程中子模塊電容電壓均衡閉環(huán)控制。

因文獻［18］中的電容均壓控制策略給定的是外橋臂的電壓調制波幅值，在實現(xiàn)DC/AC變換時，不能有效實現(xiàn)交流側閉環(huán)控制輸出?；诖?，本文在給定交流側電流的前提下，提出了一種可以同時實現(xiàn)DC/DC與DC/AC電壓變換的控制策略，該控制策略能夠有效均衡子模塊的電容電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1 DC/DC/AC混合型變換器結構框圖

圖1為DC/DC/AC兩列結構框圖，其中每一列由上、下兩個橋臂級聯(lián)而成（連接點o1，o2），每個橋臂又分為外橋臂和內橋臂，其外橋臂由k個全橋式的子模塊（FB）級聯(lián)而成，內橋臂中m個子模塊的結構為半橋結構（HB）。圖中，連接點o1、o2間的交流負載為Lr與Ra，是DC/DC/AC變換器正常工作時子模塊的電容電壓平衡所需的橋臂環(huán)流流通的路徑；Ls與Cs為輸入端的濾波器。輸出端的濾波電感Lf具有足夠大的電感值阻隔交流電流流入輸出端，且其耦合電感的形式可以消除直流磁通；電容Cf用于消除由子模塊開關器件動作而帶來的高頻電流。

圖1 DC/DC/AC變換器的結構框圖Fig.1 Structure block diagram of DC/DC/AC converter

2 DC/DC/AC混合型變換器工作原理

2.1 功率正交原理

根據(jù)傅里葉分解可知，非正弦的電壓與電流可以用各個頻率的正弦波之和表示，即

式中：V0和I0分別為電壓和電流的直流分量；Vn、In為n次諧波有效值；ω為基波角頻率；θn、φn為n次電壓電流諧波初相角。

有功功率是電壓與電流乘積在一個周期積分的平均值，然而不同頻率的電流與電壓的乘積在一個周期的積分值為0。因此，系統(tǒng)的有功功率可以表示為

因此，對于非正弦的電壓與電流，不同頻率的電壓電流所產(chǎn)生的有功功率為0，即不同頻率的電流與電壓正交［15］。

2.2 DC/DC/AC混合型變換器工作原理

該變換器的工作原理可以看成一個DC/AC變換器與一個DC/DC變換器的疊加，因此可以分別作為DC/DC變換器、DC/AC變換器以及DC/DC/AC混合型變換器。實現(xiàn)DC/AC變換的原理與文獻［8］中所述的工作原理相同。在正常運行條件下，為保證任意時刻各列橋臂中投入系統(tǒng)的子模塊總數(shù)為n，一般系統(tǒng)的上橋臂與下橋臂的功率單元對稱互補投入。因此為了實現(xiàn)DC/AC電壓變換，同一列橋臂的內外橋臂交流電壓應滿足的條件為

則交流負載側輸出的交流電壓為

當DC/DC電壓變換時，電壓轉換比為

當0＜D＜1，0＜D′＜1，DC/DC工作于降壓模式，外橋臂的子模塊輸出電壓與內橋臂的子模塊輸出電壓方向一致。當D＞1，D′＜0，DC/DC工作于升壓模式，外橋臂子模塊向系統(tǒng)注入負向電壓。由此可見，外橋臂子模塊為全橋結構的主要作用是實現(xiàn)DC/ DC能夠靈活運行在降壓或升壓的工作狀態(tài)。同時，在輸入輸出直流側發(fā)生直流故障時，可以通過合理控制全橋子模塊輸出電壓的極性來實現(xiàn)故障阻斷，如輸入側發(fā)生故障，外橋臂注入負壓來抵消輸出端網(wǎng)絡電壓，輸出側發(fā)生故障，內橋臂注入正壓來抵消輸入端網(wǎng)絡電壓，從而該結構變換器具有直流故障的雙向阻斷能力［18］。

圖1中DC/DC/AC混合型變換器正常工作的前提是子模塊的電容電壓保持平衡。為了平衡外橋臂與內橋臂子模塊的電容電壓，需要各個部分的子模塊的電容充放電的總功率相同。圖2為DC/DC/ AC混合型變換器正常運行的簡化工作原理。其中細實線為實現(xiàn)DC/DC變換直流電流的流動路徑，粗實線是實現(xiàn)DC/AC變換所需的直流電流的流動路徑，點線為交流電流的流通路徑。實現(xiàn)DC/DC電壓變換時，流經(jīng)外橋臂的直流電流為，內橋臂的直流電流為，實現(xiàn)DC/AC變換時的直流每列橋臂的電流為。由此可見，內橋臂子模塊的實際直流電流的方向主要取決于。

圖2 DC/DC/AC變換器工作原理Fig.2 Working principle of DC/DC/AC converter

為了簡化分析，本文做如下假設：每個橋臂的子模塊數(shù)足夠多，合成的交流電壓為理想的正弦電壓；系統(tǒng)電流電壓的交流成分主要為基頻成分；系統(tǒng)電阻忽略不計；Lf電感值足夠大，其輸出端的電流基本不含交流成分。內外橋臂可等效為理想電源，流經(jīng)外橋臂的直流電流為，內橋臂的直流電流為，根據(jù)功率正交原理，為了保持內外橋臂的功率平衡，交流電流的充放電功率與直流電流的放充電功率相等，即應滿足的功率方程為

式中：V1k為外橋臂基頻電壓相量，V1k=（/2）∠θV；I1k為外橋臂基頻電流相量，I1k=（/2）∠θ1；V1k·I1k為外橋臂基波相量點乘；。當變換器運行于DC/AC模式，iin=0；當變換器運行于DC/DC模式，id=0。

3 DC/DC/AC混合型變換器控制策略

圖3為DC/DC/AC混合型變換器正常工作的平衡電容電壓的閉環(huán)控制框圖。系統(tǒng)中內、外橋臂能量主要通過流入的電流交換能量，所以系統(tǒng)需要通過內外橋臂的耦合控制來平衡子模塊電容電壓并實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。文中給定橋臂電流，為了實現(xiàn)變換器的DC/DC/AC電壓變換輸出，橋臂給定交流電流與實際交流電流的差值經(jīng)過比例諧振調節(jié)器PR生成內橋臂的電壓給定值，外橋臂的電壓是由內、外橋臂子模塊的電壓差經(jīng)比例積分調節(jié)器PI后給定。對內、外橋臂的輸出控制采用APOD SPWM和電容選擇排序的調制策略。

圖3 DC/DC/AC變換器控制策略框圖Fig.3 Block diagram of control strategy of DC/DC/AC converter

文獻［18］中給定外橋臂交流電壓值，為實現(xiàn)系統(tǒng)DC/DC電壓變換，內橋臂為雙閉環(huán)控制（子模塊電壓外環(huán)，橋臂電流內環(huán)），相對于文獻［18］，本文的控制策略不僅可以實現(xiàn)文獻［18］系統(tǒng)的DC/ DC電壓變換控制，而且可以同時實現(xiàn)DC/AC電壓變換。

4 仿真分析

在PSCAD中搭建了兩列式DC/DC/AC混合型變換器模型。模型中每橋臂由4個子模塊（m=k= 4）組成。橋臂的交流電壓基頻頻率為50 Hz。橋臂電感La為2.5 mH，電容為2 mF，各電容的電壓為2.2 kV，直流輸入側的濾波電容電感分別為Ls=0.5 mH、Cs=40 μF，輸出側的濾波電容電感為Lf=1 H、Cf=15 μF。直流側輸入電壓為17.6 kV，直流負載電感為20 mH、電阻為10 Ω，電壓轉換比D=0.5。系統(tǒng)給定的各個部分的上橋臂交流電流的幅值為1.1 kA，即交流負載側的交流電流幅值為2.2 kA。此時，理論計算結果為

式中：Uout為直流輸出側電壓；iout為直流輸出側電流；iin為直流輸入側電流。

4.1 DC/DC電壓變換

交流環(huán)路中Lr=0.5 mH，且為固定值時，id=0，即為文獻［17］中的DC/DC變換器。圖4為本文控制策略時的DC/DC系統(tǒng)仿真波形。由圖可見，該控制策略能夠在均衡子模塊電容電壓前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)的直流電壓變換，且能夠跟蹤控制策略給定的橋臂電流。

圖4 DC/DC變換器的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of DC/DC converter

4.2 DC/DC/AC電壓變換

DC/DC/AC混合型變換器的仿真波形如圖5所示。

圖5 DC/DC/AC混合型變換器的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of DC/DC/AC hybrid converter

交流負載為0.5 mH、電阻為2 Ω，即交流負載為阻感性負載。此時，id為

系統(tǒng)總直流輸入電流為

每一列中外橋臂子模塊的直流充電電流為

每一列中內橋臂子模塊的直流充電電流為

由圖5可見，直流輸入、輸出電壓約為17.6 kV、8.8 kV，輸入、輸出電流約為0.99 kA、0.88 kA，耦合電感兩側的電流均為。交流負載側輸出電流幅值約為2.2 kA。且各個子模塊的電容電壓基本維持在2.2 kV左右。

5 結語

本文所提DC/DC/AC變換器可實現(xiàn)不同形式的電壓轉換，有利于不同形式電能的綜合利用，而子模塊電容電壓的平衡控制是模塊化多電平變換器的控制重點和難點，其本質是保證電容充放電能量保持平衡，利用功率正交原理，本文在給定交流負載電流的前提下，提出了一種平衡子模塊電容電壓的控制策略。通過在時域仿真軟件PSCAD/ETDC中搭建DC/DC/AC變換器模型，仿真結果驗證了本文結論和控制策略的正確性。

［1］湯廣福，羅湘，魏曉光.多端柔性直流輸電與直流電網(wǎng)技術［J］.中國電機工程學報，2013,33（10）：8-17. Tang Guangfu,Luo Xiang,Wei Xiaoguang.Multi-terminal HVDC and DC-grid technology［J］.Proceedings of the CSEE, 2013,33（10）:8-17（in Chinese）.

［2］Chen W,Huang A Q,Li C,et al.Analysis and comparison of medium voltage high power DC/DC converters for offshore wind energy systems［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2014,28（4）:2014-2023.

［3］Engel S P,Soltau N,Stagge H,et al.Dynamic and balanced control of three-phase high-power dual-active bridge DC-DC converters in DC-grid applications［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28（4）:1880-1889.

［4］Jovcic D,Hajian M,Zhang H,et al.Power flow control in DC transmission grids using mechanical and semiconductor based DC/DC devices［A］.In:Proceedings of the 10thIET International Conference on AC and DC Power Transmission［C］.Birmingham,UK,2012:1-6.

［5］索之聞，李庚銀，遲永寧，等.一種基于子模塊混合型模塊化多電平換流器的高壓大功率DC/DC變換器［J］.中國電機工程學報，2015,35（14）：3577-3585. Suo Zhiwen,Li Gengyin,Chi Yongning,et al.A cell-hybrid modular multilevel converter based high-voltage highpower DC/DC converter［J］.Proceedings of the CSEE,2015, 35（14）:3577-3585（in Chinese）.

［6］王思蘊，施科研，陳敏，等.模塊化多電平變流器（MMC）兩種調制比較［J］.電源學報，2013,11（3）:58-63. Wang Siyun,Shi Keyan,Chen Min,et al.Two control method used in modular multilevel converter［J］.Journal of Power Supply,2013,11（3）:58-63（in Chinese）.

［7］Guan M,Xu Z.Modeling and control of a modular multilevel converter-based HVDC system under unbalanced grid conditions［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27（12）:4858-4867.

［8］王姍姍，周孝信.模塊化多電平電壓源換流器的數(shù)學模型［J］.中國電機工程學報，2011,31（24）:1-8. Wang Shanshan，Zhou Xiaoxin.Modeling of modular multilevel voltage source converter［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（24）:1-8（in Chinese）.

［9］Makoto H，Hirofumi A.PWM Control and Experiment of Modular Multilevel Converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，26（11）：154-160.

［10］楊云森，郭育華.單相模塊化多電平變流器控制策略研究［J］.電源學報，2015,13（2）：88-93. Yang Yunsen,Guo Yuhua.Research on control strategy of single-phase MMC［J］.Journal of Power Supply,2015,13（2）:88-93（in Chinese）.

［11］江麗麗，馬文忠，李林歡，等.模塊化多電平換流器的容錯控制策略［J］.電網(wǎng)技術，2014，38（9）：2497-2503.Jiang Lili,Ma Wenzhong,Li Linhuan，et al.A fault-tolerant control strategy of modular multi-level converters［J］. Power System Technology,2014,38（9）：2497-2503（in Chinese）.

［12］馬文忠，江麗麗，李林歡，等.模塊化多電平變換器容錯運行環(huán)流抑制策略［J］.高電壓技術，2014，40（11）：3513-3518.Ma Wenzhong,Jiang Lili,Li Linhuan,et al.Circulating current suppressing strategy of modular multilevel converter in fault-tolerant control mode［J］.High Voltage Engineering，2014，40（11）：3513-3518（in Chinese）.

［13］張哲任，徐政,等.多端MMC-HVDC系統(tǒng)共用接地點的研究［J］.高電壓技術，2013，39（11）：2783-2789.Zhang Zheren,Xu Zheng,et al.Common grounding electrode schemes for multi-terminal MMC-based HVDC［J］.High Voltage Engineering，2010，34（2）：53-57（in Chinese）.

［14］趙成勇，李路遙，等.新型模塊化高壓大功率DC-DC變換器［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，38（4）：72-78.Zhao Chengyong,Li Luyao,et al.A new type of modular high-voltage high-power DC-DC converter［J］.Automation of Electric Power Systems,2014,38（4）：72-78（in Chinese）.

［15］Jan A.Ferreira.The multilevel modular DC converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，28（10）：4460-4465.

［16］Stephan K,Alfred R,Vasiladiotis M,et al.A versatile DC-DC converter for energy collection and distribution using the modular multilevel converter［J］.Proceedings of the 14th European Conference on Power Electronics and Applications，2011：1-10.

［17］Kenzelmann S,Dujic D,et al.Modular DC/DC converter: comparison of modulation methods［C］.15thInternational Power Electronics and Motion Control Conference,EPEPEMC 2012 ECCE Europe,Novi Sad,Serbia:LS2a.11-17.

［18］Kish G J,Ranjram M,Lehn P W,et al.A modular multilevel DC/DC converter with fault blocking capability for HVDC interconnects［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，30（1）：1-15.

Analysis and Design of Control Strategy for DC/DC/AC MMC Converter

WEI Liang,MA Wenzhong,LIU Yong,WANG Xiao,ZHAO Huafang
（College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum（East China）,Qingdao 266580,China）

A novel DC/DC/AC converter based on modular multilevel is studied,which can not only realize comprehensive utilization of different forms of electrical energy,but also achieve the function of converter voltage transform diversification.First,this paper analyzes the topologies of the converter based on modular multilevel which can simultaneously realize DC/DC and DC/AC hybrid voltage transform.Then,according to the power orthogonal principle, this paper designs a closed loop control strategy of DC/DC/AC converter.Finally,on the premise of a given current of AC load side,the capacitor voltage balance of each bridge arm is implemented.The simulation results validate the voltage transformation function of the DC/DC/AC hybrid converter based on modular multilevel and the feasibility of the control strategy is effective.

modular multilevel converter（MMC）;DC/DC converter;DC/AC converter;capacitor voltage balance

魏亮

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.124

：TM 46

：A

魏亮（1991-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術與智能電網(wǎng)技術，E-mail:649129722@qq.com。

馬文忠（1968-），男，通信作者，博士，教授，碩士生導師，研究方向：電力電子技術與智能電網(wǎng)技術，E-mail:mawen zhong@126.com。

劉勇（1992-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術與智能電網(wǎng)技術，E-mail:3041079012@qq.com。

王曉（1992-），女，碩士研究生，研究方向：電力電子技術與智能電網(wǎng)技術，E-mail:948598277@qq.com。

趙華芳（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術與智能電網(wǎng)技術，E-mail:240583698@qq.com。

2015-08-10

山東省自然科學基金資助項目（ZR2010EM011）；研究生創(chuàng)新工程資助項目（YCX2014054）。

Project Supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation of China（ZR2010EM011）；Graduate Student Innovation Project（YCX2014054）