郭漢臣，王琛，范瑩，王毅，田艷軍，譚開東

(1. 河北省分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003；2. 國(guó)網(wǎng)北京城區(qū)供電公司，北京 100035)

0 引言

目前，直流配電技術(shù)已在交直流混合配電網(wǎng)工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。仿照交流電網(wǎng)，學(xué)術(shù)界對(duì)直流配電網(wǎng)的電壓等級(jí)序列進(jìn)行了劃分，文獻(xiàn)[6-8]認(rèn)為電壓等級(jí)在1.5 kV和200 kV之間的為中壓直流電網(wǎng)，高于200 kV為高壓直流電網(wǎng)，低于1.5 kV為低壓直流電網(wǎng)。對(duì)比同等級(jí)的交流配電網(wǎng)，中壓直流配電網(wǎng)在供電質(zhì)量和可靠性上更具優(yōu)勢(shì)，是解決電源匯集和配電問(wèn)題的優(yōu)選方案[9-11]。

中壓直流配電網(wǎng)常用電壓源換流器（voltage source converter，VSC）。但模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）中直流母線電壓在各子模塊中均勻分配，從而使器件耐壓要求降低。與此同時(shí)，MMC可降低輸出側(cè)諧波含量，改善交流側(cè)輸出電能質(zhì)量[12-14]。當(dāng)MMC應(yīng)用于中壓直流配電網(wǎng)時(shí)，子模塊數(shù)量隨著電壓等級(jí)的降低而大幅減少[15-17]。如何降低中壓MMC輸出電流的諧波畸變，是將MMC應(yīng)用到中壓直流配電系統(tǒng)中所面臨的問(wèn)題。

電平逼近調(diào)制（nearest level modulation，NLM）策略以其正弦波強(qiáng)擬合能力和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，成為MMC中常用的正弦調(diào)制方法，但對(duì)子模塊數(shù)量有較高要求，因而更適用于高壓直流輸電系統(tǒng)[18-20]。中壓直流配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)比高壓直流輸電低了大概10～20倍。若依然采取NLM，輸出階梯波等效正弦的效果會(huì)顯著下降[21-22]。

為提高輸出電流質(zhì)量，文獻(xiàn)[23]采用載波移相調(diào)制（carrier phase shifting pulse width modulation，CPS-PWM）策略對(duì)中壓直流配電網(wǎng)中的MMC進(jìn)行調(diào)制。此時(shí)，MMC輸出電流諧波含量有所降低，但子模塊開關(guān)頻率顯著增大，從而導(dǎo)致MMC通斷損耗較大。文獻(xiàn)[24]將無(wú)差拍電流控制與NLM相結(jié)合，并應(yīng)用于高壓直流MMC輸電系統(tǒng)中。該方法與傳統(tǒng)控制相比，所需的比例積分調(diào)節(jié)（proportional integral control，PI）與坐標(biāo)變換次數(shù)顯著減少，但對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)有較高要求。

本文根據(jù)交流側(cè)實(shí)際電流與參考電流的差值計(jì)算子模塊的數(shù)量，在開關(guān)損耗較低的情況下增加電平切換頻率，從而降低單一電平的持續(xù)時(shí)間。

1 無(wú)差拍控制器設(shè)計(jì)

本文根據(jù)交流側(cè)電壓的實(shí)際值計(jì)算下一控制周期的交流側(cè)電流參考值，再通過(guò)電流參考值與實(shí)際值之差計(jì)算出需投入的子模塊數(shù)量，MMC等效電路如圖1所示。

圖1 MMC等效電路Fig. 1 Equivalent circuit of the MMC

2 子模塊電容均壓控制

在調(diào)制周期開始時(shí)，若橋臂上電流方向?yàn)檎瑒t將原先已處于投入狀態(tài)的子模塊電容電壓乘上一個(gè)略小于1的系數(shù)H1。將已被切除且電壓低于所設(shè)下限的子模塊乘上一個(gè)略大于1的系數(shù)H2，然后再進(jìn)行排序。具體均壓流程如圖2所示。

圖2 子模塊均壓流程Fig. 2 Process of voltage sharing of the sub-modules

系統(tǒng)的整體控制流程如圖3所示。在圖3中，Uabc為三相交流電壓；iabc為三相交流電流；為三相交流電流參考值；UC為各子模塊的電容電壓。從圖3可以看出，相比傳統(tǒng)控制策略，本文所提無(wú)差拍控制不需要PI調(diào)制環(huán)節(jié)，所需坐標(biāo)變換次數(shù)也較少，從而簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)控制流程Fig. 3 Control process of the system

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所方法在降低電流畸變率上的有效性，在Matlab中分別搭建了采用NLM、CPSPWM和無(wú)差拍控制下的MMC仿真模型，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖4 中壓直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Topology of medium voltage DC distribution network

表1 仿真參數(shù)Table 1 Data of the simulation

在3種控制策略下，a相輸出電壓和電流波形分別如圖5～6所示。結(jié)合圖5和圖6可以看出，雖然在CPS-PWM和無(wú)差拍控制下，電壓電平切換時(shí)均發(fā)生了多次跳變，但跳變?cè)聿煌Ｔ贑PS-PWM控制下跳變是因?yàn)檩d波數(shù)量較多，且各電平跳變次數(shù)一定。在無(wú)差拍控制下跳變是因?yàn)閷?duì)參考電流進(jìn)行了實(shí)時(shí)跟蹤，各電平跳變次數(shù)不一。由于MMC電平數(shù)量少，NLM控制下的輸出電流畸變率明顯上升。在CPS-PWM和無(wú)差拍電流控制下，電壓的多次跳變使電平切換得以平穩(wěn)過(guò)渡，從而降低交流側(cè)的諧波含量。

圖5 不同控制策略下MMC輸出電壓Fig. 5 Output voltage of MMC with different control strategies

圖6 不同控制策略控制下MMC輸出電流Fig. 6 Output current of MMC with different control strategies

3種控制策略下的快速傅立葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）分析結(jié)果如圖7所示。結(jié)合圖5～7可以看出，NLM調(diào)制下總諧波畸變（total harmonic distortion，THD）含量為8.12%，以5次諧波為主，占總諧波的61.57%。CPSPWM調(diào)制下THD含量為2.44%，以5次諧波為主，占總諧波的81.97%。無(wú)差拍調(diào)制下THD含量為2.09%，以11和19次諧波為主，占總諧波的76.56%。因此，在MMC子模塊數(shù)較少的情況下，無(wú)差拍控制策略下對(duì)參考電流的跟蹤會(huì)使電流畸變率進(jìn)一步降低，從而提高交流側(cè)輸出電能質(zhì)量。

圖7 3種控制策略下FFT分析結(jié)果Fig. 7 Analysis results of FFT with three control strategies

3種控制策略下1 s內(nèi)a相上橋臂子模塊的平均總開通次數(shù)如圖8所示。從圖8中可以看出，無(wú)差拍控制策略下的開關(guān)次數(shù)介于NLM與CPSPWM之間。當(dāng)采用無(wú)差拍控制策略時(shí)，若不采取適當(dāng)?shù)木鶋翰呗裕? s末子模塊開關(guān)次數(shù)均值將達(dá)到550次，大于NLM調(diào)制下的460次。采用均壓控制后無(wú)差拍控制下的開關(guān)次數(shù)均值降低至460次左右，基本與NLM調(diào)制下的次數(shù)持平。因此，相比其他2種控制策略，使用無(wú)差拍控制策略時(shí)子模塊通斷頻率較低。當(dāng)采用降頻均壓后，子模塊通斷頻率進(jìn)一步降低，從而降低了MMC的整體損耗。

圖8 3種控制策略下子模塊開通次數(shù)Fig. 8 Opening times of sub-modules of three control strategies

采用均壓控制前后，a相上橋臂各子模塊電容電壓波形如圖9所示。從圖9中可以看出，雖然均壓控制后，電容電壓的波動(dòng)幅度有所增加，但仍穩(wěn)定在額定值7 500 V左右，上下波動(dòng)幅度不超過(guò)±0.5%，基本滿足MMC對(duì)子模塊電容電壓的要求。由于引入電容電壓閾值和保持因子，因此各子模塊盡可能保持當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，使得橋臂上各子模塊電容電壓波形差異增大，從而降低子模塊的開關(guān)頻率。

圖9 各子模塊電容電壓Fig. 9 Capacitance voltage of each sub-module

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)中壓直流配電網(wǎng)中MMC因模塊數(shù)量少而導(dǎo)致電流畸變率高的問(wèn)題，將無(wú)差拍電流控制引入到少模塊的MMC換流器，并提出了相應(yīng)的均壓控制策略。該控制策略通過(guò)參考電流與實(shí)際電流的差值直接計(jì)算子模塊投切個(gè)數(shù)，無(wú)須經(jīng)過(guò)調(diào)制波調(diào)制且不需要PI調(diào)制。在Matlab中搭建了中壓直流配電網(wǎng)中MMC的仿真模型。仿真結(jié)果表明，所提控制策略不僅能有效提高少模塊MMC輸出電流質(zhì)量，而且可以保持各電容電壓平衡。