馬文忠, 孫迎新, 武 琳, 魏 亮, 趙華芳

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)， 山東 青島 266580；2. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司， 北京 100192)

MMC子模塊電容電壓改進(jìn)控制方法的研究

馬文忠1, 孫迎新1, 武 琳2, 魏 亮1, 趙華芳1

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)， 山東 青島 266580；2. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司， 北京 100192)

介紹了模塊化多電平換流器電容電壓測(cè)量及均壓原理，指出傳統(tǒng)的電容電壓控制下，當(dāng)橋臂子模塊數(shù)目過于龐大時(shí)，電壓傳輸信號(hào)較多，增加了控制器設(shè)計(jì)難度。針對(duì)這一問題，提出了一種改進(jìn)的電容電壓測(cè)量方法，該方法中參與控制的電壓信號(hào)數(shù)量?jī)H為傳統(tǒng)測(cè)量方法的一半，有利于降低控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，減輕控制器工作負(fù)擔(dān)。首先詳細(xì)介紹了電容電壓改進(jìn)控制方法下的模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電壓測(cè)量原理，然后在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了改進(jìn)電容電壓排序算法，減少傳統(tǒng)排序過程中不必要的運(yùn)算量，在數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)一步優(yōu)化控制器運(yùn)算，保證換流器穩(wěn)定運(yùn)行。最后搭建了仿真模型，驗(yàn)證所提策略的正確性和有效性。

模塊化多電平換流器； 改進(jìn)電壓測(cè)量； 電壓傳感器； 改進(jìn)電容電壓均衡策略

1 引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。模塊化多電平變換流器(MMC)采用模塊化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展、低諧波含量、低損耗等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在可再生能源并網(wǎng)、城市電網(wǎng)供電和異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等場(chǎng)合有著巨大的應(yīng)用潛力[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)MMC已開展了廣泛的研究，其中主要集中在數(shù)學(xué)模型的建立[5,6]，調(diào)制策略的優(yōu)化[7]以及子模塊故障[8-10]等問題上。文獻(xiàn)[11]提出的電壓均衡控制方法基于對(duì)子模塊電容電壓排序，首先將各個(gè)模塊電容電壓進(jìn)行排序，再根據(jù)橋臂電流的方向選擇合適的模塊投入或者切除，從而達(dá)到平衡子模塊電容電壓的目的。但隨著直流電壓和傳輸功率不斷增加，各個(gè)橋臂級(jí)聯(lián)模塊數(shù)量大幅增加，相應(yīng)的參與控制的電壓信號(hào)數(shù)量也在增加，大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)化電路被傳入到控制器，這樣會(huì)增加控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，影響控制器響應(yīng)速度，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，文獻(xiàn)[12]在傳統(tǒng)電容電壓排序的基礎(chǔ)上，提出了引入保持因子的電容電壓優(yōu)化平衡控制，將控制的重點(diǎn)放在電壓越限的模塊上，對(duì)未越限的模塊在一定范圍內(nèi)保持原有投切狀態(tài)，從而達(dá)到減小控制器運(yùn)算量和器件開關(guān)頻率的目的。文獻(xiàn)[13] 提出了一種新型的適用于采用載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)的MMC 電容電壓優(yōu)化平衡控制算法，有效保持了電容電壓的動(dòng)態(tài)平衡，但當(dāng)子模塊數(shù)量過多時(shí)，該方法控制較為復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)硬件電路提出了更高的要求。文獻(xiàn)[14]提出了一種采用質(zhì)因子分解法的電容電壓平衡算法，降低了排序運(yùn)算量，提高了計(jì)算效率。然而以上方法都沒有涉及到通過減少控制器輸入電壓信號(hào)數(shù)量來提高系統(tǒng)工作效率。

針對(duì)傳統(tǒng)電壓控制處理數(shù)據(jù)量過大的問題，本文首先提出了一種改進(jìn)的電容電壓測(cè)量方法，利用雙子模塊出口端電壓傳感器和各個(gè)子模塊導(dǎo)通信號(hào)，完成電容電壓均衡控制。該方法中系統(tǒng)參與的電壓數(shù)據(jù)量?jī)H為傳統(tǒng)電壓控制方法的一半，有利于降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。在此條件下，本文設(shè)計(jì)了與新測(cè)量方法相適應(yīng)的電容電壓均衡控制，保持換流器的穩(wěn)定運(yùn)行。最后，Simulink中的仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。

2 MMC的工作原理

2002年，德國(guó)學(xué)者R．Marquart和A．Lesnicar首次提出MMC的結(jié)構(gòu)概念，奠定了現(xiàn)代可控電壓源型換流器的基礎(chǔ)。MMC的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。每相橋臂分為上橋臂和下橋臂，每個(gè)橋臂由相同數(shù)量的子模塊(SM)和限流電感Ls串聯(lián)構(gòu)成。目前國(guó)內(nèi)外最新投入的柔性直流輸電工程換流器均采用這種MMC結(jié)構(gòu)。

圖1 MMC的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of MMC

子模塊電容電壓控制是換流器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，主要包括電容電壓實(shí)時(shí)測(cè)量和電容電壓均衡兩個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)電容電壓測(cè)量方法[15]利用并聯(lián)在每個(gè)子模塊電容兩端的電壓傳感器來獲取實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)，這種方法的弊端是：對(duì)于電平數(shù)較高的換流器，需要傳輸?shù)碾妷簲?shù)據(jù)量增加，大量的轉(zhuǎn)化電路和信號(hào)傳輸將對(duì)換流器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)。與之相適應(yīng)的傳統(tǒng)電壓均衡控制主要過程是對(duì)每個(gè)橋臂的子模塊電容電壓和橋臂電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，如圖2所示。當(dāng)橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，對(duì)子模塊電容電壓進(jìn)行升序排列，當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)，則對(duì)電容電壓進(jìn)行降序排列，依據(jù)子模塊投入個(gè)數(shù)，選擇合適模塊進(jìn)行投切。本文把這種傳統(tǒng)均壓控制記作T-sort(電容電壓，投入個(gè)數(shù))。采用這種電壓平衡方法可以有效抑制電容電壓波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)直流電壓穩(wěn)定，然而這種控制方法也存在一定的弊端，每個(gè)周期都需要對(duì)全部電容電壓進(jìn)行排序，增加了控制器不必要的運(yùn)算量，降低了控制器工作效率。

圖2 傳統(tǒng)電容電壓排序流程圖Fig.2 Flow chart of traditional voltage balance control

3 改進(jìn)電容電壓測(cè)量方法

當(dāng)橋臂子模塊數(shù)量過多時(shí)，傳統(tǒng)的電容電壓控制策略不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的電容電壓控制方法，從源頭上減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量，降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。將圖1中兩個(gè)半橋子模塊級(jí)聯(lián)在一起，構(gòu)成雙子模塊。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，每個(gè)雙子模塊可以產(chǎn)生三種電平(0、UC1或者UC2、UC1+UC2)，同時(shí)在AB端口配置一個(gè)電壓傳感器，依據(jù)雙子模塊上下兩個(gè)半橋的導(dǎo)通信號(hào)(S1和S2)和AB端口電壓傳感器數(shù)值Uout，推導(dǎo)得到UC1和UC1+UC2。改進(jìn)電容電壓測(cè)量拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 改進(jìn)電容電壓測(cè)量拓?fù)銯ig.3 Structure diagram of improved capacitor voltage measurement

由圖3可知，當(dāng)S1=S2=0時(shí)，橋臂電流未流過電容，雙子模塊中的電容電壓不發(fā)生變化，當(dāng)S1=1或者S2=1時(shí)，雙子模塊電容電壓UC1與UC1+UC2發(fā)生變化。根據(jù)電容電壓的這一特征，可猜想在上一周期內(nèi)未投入的子模塊因電容電壓沒有發(fā)生變化，下個(gè)周期開始階段無需對(duì)其電壓進(jìn)行測(cè)量采集，控制器可以沿用上個(gè)周期結(jié)束時(shí)刻該子模塊電容電壓數(shù)值。設(shè)(UC1)k-1為上個(gè)周期結(jié)束時(shí)控制器接收的電容C1電壓，(UC1+UC2)k-1為上個(gè)周期結(jié)束時(shí)控制器接收到的UC1+UC2。根據(jù)分析可得：

當(dāng)S1=S2=0時(shí)

(1)

當(dāng)S1=1且S2=0時(shí)

(2)

當(dāng)S1=S2=1時(shí)

(3)

此處需要注意的是，當(dāng)雙子模塊被完全投入時(shí)，Uout只能更新控制器中(UC1+UC2)k-1，然而這時(shí)候UC1也在變化，不再等于(UC1)k-1，控制器中的(UC1)k-1也需要更新，來保證獲得準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)電壓值。因此假設(shè)UC1與UC2在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓保持平衡，UC1近似等于UC2，即UC1與UC2變化量相同。將式(1)～式(3)整理得到表1。

表1 S1、S2、UC1、UC1+UC2和Uout關(guān)系表Tab.1 Relationship between S1,S2,UC1,UC1+UC2 and Uout

由圖3可知，通過AB端口電壓傳感器采集的電容電壓來實(shí)現(xiàn)模塊電壓的平衡控制，可以使傳統(tǒng)方法下n個(gè)模塊電容電壓信號(hào)變?yōu)楝F(xiàn)在的n/2個(gè)，有利于簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 電容電壓均衡策略

由表1可以看出，改進(jìn)后的電容電壓測(cè)量方法將測(cè)量的重點(diǎn)放在UC1和UC1+UC2而不是原來的UC1和UC2上，即雙子模塊的投切機(jī)制發(fā)生了變化，所以傳統(tǒng)的電容電壓排序不再適用于改進(jìn)后的電容電壓測(cè)量方法。本文基于傳統(tǒng)的排序算法，提出了一種改進(jìn)電容電壓均衡策略。該方法依據(jù)需要投入半橋子模塊個(gè)數(shù)N的不同，分別對(duì)電容電壓UC1和UC1+UC2進(jìn)行分類排序，然后選擇合適的雙子模塊或者雙子模塊中的C1電容進(jìn)行投切，具體操作流程如圖4所示。

圖4 改進(jìn)電容電壓排序流程圖Fig.4 Flow chart of improved voltage balance control

假設(shè)每個(gè)橋臂包含的電容個(gè)數(shù)為n，計(jì)算得到該橋臂需要投入電容個(gè)數(shù)為N，第一組雙子模塊上半橋子模塊電壓為UC11，第一組雙子模塊電壓為UC11+UC12。則首先將各個(gè)雙子模塊初始電容電壓UC*1、UC*1+UC*2和N傳送到控制器*代表1，2，…，n/2，當(dāng)計(jì)算投入半橋子模塊個(gè)數(shù)小于n/2時(shí)，僅對(duì)該橋臂子模塊電容電壓UC*1進(jìn)行傳統(tǒng)排序，選擇合適半橋子模塊進(jìn)行投入。當(dāng)計(jì)算投入半橋子模塊個(gè)數(shù)大于等于n/2時(shí)，優(yōu)先對(duì)雙子模塊總電容電壓UC*1+UC*2進(jìn)行傳統(tǒng)排序，選擇合適的雙子模塊同時(shí)投入上下兩個(gè)子模塊，其次，對(duì)N進(jìn)行奇偶判斷，如果N為偶數(shù)，則算法到此為止，該橋臂投入模塊均為雙子模塊，如果N為奇數(shù)，則對(duì)剩余未投入的雙子模塊中的UC*1進(jìn)行一次排序，選擇電壓最小或者最大半橋子模塊投入。

依據(jù)以上分析，改進(jìn)排序算法會(huì)根據(jù)投入子模塊個(gè)數(shù)N的大小進(jìn)行分類排序，且每次排序數(shù)量不會(huì)超過n/2，這將有效減少橋臂電容電壓排序次數(shù)。

以南澳三端MMC-HVDC輸電工程為例說明。南方電網(wǎng)在2013年投運(yùn)的南澳三端高壓直流輸電工程中，直流電壓為±160kV，橋臂子模塊個(gè)數(shù)為200個(gè)[16]。分別應(yīng)用傳統(tǒng)電壓控制和改進(jìn)電壓控制方法對(duì)該工程橋臂電容電壓進(jìn)行排序，單橋臂電壓信號(hào)數(shù)量和控制器排序次數(shù)如表2所示。

表2 兩種電壓控制方法對(duì)比Tab.2 Comparison of two voltage control methods

由表2可知，改進(jìn)電壓測(cè)量方法下參與控制的模塊電壓信號(hào)數(shù)量?jī)H為傳統(tǒng)測(cè)量方法的一半，有利于降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。在此條件下，改進(jìn)電容電壓排序算法，可顯著減少控制器計(jì)算量，在數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)一步優(yōu)化控制器運(yùn)算，大大提高了控制器的工作效率，保證換流器穩(wěn)定運(yùn)行。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下分別搭建11電平傳統(tǒng)半橋型MMC和改進(jìn)電壓測(cè)量MMC。對(duì)比兩種電壓測(cè)量以及相應(yīng)電容電壓平衡方法下的子模塊電容電壓波形和換流器工作特性，設(shè)定模型仿真步長(zhǎng)為0.01ms，具體仿真參數(shù)如表3所示。

表3 仿真系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 Parameters of simulation system

圖5為不同控制策略下的電容電壓波形。由圖5(a)、圖5(b)可以看出，傳統(tǒng)電壓均衡策略下，電容電壓維持在1500V左右，波動(dòng)范圍為±5%；采用改進(jìn)控制策略下的電容電壓也可以維持在1500V左右，波動(dòng)范圍為±7%。由圖5(c)可以看出，采用改進(jìn)電容電壓測(cè)量方法，控制器得到的實(shí)時(shí)電壓值UC1和UC1+UC2與實(shí)際值基本相同。

圖5 不同均衡策略下的電容電壓Fig.5 Capacitors’ voltages of different methods

圖6和圖7分別為兩種控制策略下的換流器電氣特性?？梢钥闯?，采用改進(jìn)電容電壓測(cè)量拓?fù)浜透倪M(jìn)電容電壓均衡方法的換流器與傳統(tǒng)控制方法下?lián)Q流器電氣特性基本相同，保證了穩(wěn)態(tài)時(shí)換流器正常的功率傳輸。

圖6 傳統(tǒng)電壓均衡策略下?lián)Q流器電氣特性Fig.6 System feature of MMC applying traditional method

圖7 改進(jìn)均壓策略下?lián)Q流器電氣特性Fig.7 System feature of MMC applying improved method

6 結(jié)論

針對(duì)大規(guī)模MMC換流站硬件控制電路設(shè)計(jì)難度大的問題，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)電容電壓控制方法，通過在雙子模塊出口端配置一個(gè)電壓傳感器，利用雙子模塊出口端電壓和子模塊導(dǎo)通信號(hào)，完成換流器電容電壓的均衡。與傳統(tǒng)電壓測(cè)量方法相比，改進(jìn)測(cè)量方法中參與控制的電壓信號(hào)數(shù)量減少50%，有利于簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減輕控制器工作負(fù)擔(dān)。此外，為了解決新電壓測(cè)量方法下電容電壓均衡問題，本文設(shè)計(jì)了改進(jìn)電容電壓均衡策略，根據(jù)投入模塊個(gè)數(shù)N，對(duì)電容電壓進(jìn)行分類排序，避免了不必要的排序計(jì)算，從數(shù)據(jù)的處理過程入手進(jìn)一步優(yōu)化控制器運(yùn)算，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。最后通過仿真驗(yàn)證，改進(jìn)后的控制策略對(duì)換流器的電氣特性幾乎沒有影響。

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Research on improved balance control for sub-module capacitor voltage of modular multilevel converter (MMC)

MA Wen-zhong1, SUN Ying-xin1, WU Lin2, WEI Liang1, ZHAO Hua-fang1

(1．China University of Petroleum (East China) , Qingdao 266580, China; 2. Beijing Kedong Electric Power Control System Co. Ltd.，State Grid Electric Power Research Institute, Beijing 100192，China)

The capacitance voltage measurement and the principle of voltage balance of the modular multilevel converter are introduced in this paper. Under the control of traditional capacitor voltage, there are more voltage sensors and more data acquisition results, which increase the difficulty of controller design when the bridge arm includes too many modules. To solve this problem, an improved capacitance voltage measurement method is proposed, and the voltage sensor in every sub module is connected in parallel to the double module output terminals. Capacitance voltage measurements are performed based on module signals, and voltage sensor number is only half of the traditional measurement method, so as to reduce the cost of the investment and controller workload from the data source. On above mentioned basis, a new capacitor voltage sorting algorithm is designed, which can reduce the amount of unnecessary operation in the traditional sorting process, and further optimize the controller operation in the process of data processing, that ensures the stable operation of the converter. Finally, a simulation model is built to verify the effectiveness of the proposed strategy.

modular multilevel converter (MMC); improved capacitance voltage measurement; voltage sensor; improved capacitor voltage modulation strategy

2016-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(51277183)

馬文忠(1968-)， 男， 山東籍， 博士， 教授， 研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù); 孫迎新(1991-)， 男， 山東籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)。

TM46

A

1003-3076(2016)11-0053-06