一種用于模塊化多電平變換器的優(yōu)化均壓策略

謝佩韋，錢善柏，宋 飛

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一種用于模塊化多電平變換器的優(yōu)化均壓策略

謝佩韋1，錢善柏2，宋 飛1

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.中國解放軍73238部隊，舟山 316000）

模塊化多電平變換器（MMC）的子模塊電容電壓均衡問題，是工程應(yīng)用中需要解決的難點(diǎn)問題之一。本文針對采用電容電壓排序，根據(jù)電流方向直接選擇相應(yīng)子模塊投入的傳統(tǒng)均壓策略進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，引入了子模塊電容電壓值的上、下限，有效地避免了子模塊的頻繁投切現(xiàn)象，降低了系統(tǒng)的開關(guān)損耗。最后通過在Matlab/Simulink平臺上搭建MMC仿真模型，對優(yōu)化前后均壓策略進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果證明改進(jìn)算法有效地減小了IGBT開關(guān)次數(shù)，降低了系統(tǒng)損耗。

模塊化多電平變換器 子模塊電壓均衡 開關(guān)頻率 開關(guān)損耗

0 引言

近些年來，隨著電力電子技術(shù)的的飛速發(fā)展，多電平變換器憑借著良好的適應(yīng)性和較好的諧波特性，使其無論是在高壓直流輸電（HVDC）領(lǐng)域、柔性交流輸電（FACTS）領(lǐng)域還是電氣傳動領(lǐng)域，都得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。常見的多電平變換器有二極管鉗位型、飛跨電容型以及H橋級聯(lián)型這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

模塊化多電平變換器（MMC）是由德國學(xué)者R.Marquardt提出的一種新型的多電平變換器拓?fù)洹Ｏ啾扔趥鹘y(tǒng)多電平變換器，MMC因其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而具有諸多優(yōu)勢：高度模塊化設(shè)計、具有公共直流母線、輸出特性好、不平衡運(yùn)行能力強(qiáng)。MMC的概念一經(jīng)提出，就成為了國內(nèi)外電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前對MMC相關(guān)技術(shù)的研究主要集中在其調(diào)制策略、子模塊均壓策略以及環(huán)流抑制策略上。其中，如何在動態(tài)過程中各個子模塊電容電壓的均衡控制，使能量在整個變換器中均勻分配，是實(shí)現(xiàn)MMC應(yīng)用的難點(diǎn)之一[5,6]。

文獻(xiàn)[7,8]提出了一種基于電容電壓排序的子模塊均壓策略。當(dāng)橋臂電流大于0，子模塊電容處于充電狀態(tài)時，投入電容電壓最低的若干個子模塊；當(dāng)橋臂電流小于0，子模塊電容處于放電狀態(tài)時，投入電容電壓最高的若干個子模塊。這種策略的確能夠有效地實(shí)現(xiàn)各子模塊的均壓，但是會導(dǎo)致子模塊IGBT的投切次數(shù)過于頻繁，增加了開關(guān)頻率與系統(tǒng)損耗。

本文對這種基于電容電壓排序的子模塊均壓策略進(jìn)行了優(yōu)化。為子模塊的電容值設(shè)定了一組上下界，只有當(dāng)存在子模塊電容值越界時，才對各子模塊電容電壓進(jìn)行排序；當(dāng)沒有子模塊電容值越界時，沿用上一次排序的結(jié)果。采用這種優(yōu)化的策略有效地避免了IGBT不必要的投切，降低了開關(guān)損耗。

1 MMC拓?fù)?/h2>

MMC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由三相構(gòu)成，每相又可以分為上、下兩個橋臂，每個橋臂包括個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全一致的子模塊以及一個橋臂電感L。U表示直流側(cè)電壓,i、i分別表示上、下橋臂的橋臂電流，U、U分別表示上、下橋臂子模塊的端口電壓，、表示輸出端負(fù)載。

MMC子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由兩個反并聯(lián)了二極管、的開關(guān)管、串聯(lián)后再與一個直流電容并聯(lián)組成。通過控制開關(guān)管、的通斷，可以控制子模塊的工作狀態(tài)。當(dāng)開通、關(guān)斷時，子模塊投入，此時子模塊電容在橋臂電流的作用下進(jìn)行充電或放電；當(dāng)關(guān)斷、開通時，子模塊切除，此時子模塊電容電壓不變。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，開關(guān)管、必須互補(bǔ)開通。

2 傳統(tǒng)的子模塊均壓策略

傳統(tǒng)的子模塊均壓策略首先需要計算出在某一時刻橋臂投入的子模塊數(shù)量，再根據(jù)該時刻子模塊電容電壓的排序結(jié)果以及橋臂電流的流向來確定具體應(yīng)該選擇哪個子模塊投入。當(dāng)橋臂電流大于0，對子模塊電容充電時，選擇電容電壓值最小的個子模塊投入；當(dāng)橋臂電流小于0，對子模塊電容放電時，選擇電容電壓值最大的個子模塊投入[7]。這種均壓策略的具體流程如下。

1）計算某一時刻橋臂內(nèi)投入的子模塊數(shù)量。

2）采集這一時刻橋臂內(nèi)各子模塊的電容電壓數(shù)值以及橋臂電流數(shù)值。

3）對橋臂內(nèi)各子模塊的電容電壓值進(jìn)行排序，排序后得到U＞U＞…＞U，并得到U～U與橋臂內(nèi)個子模塊的映射關(guān)系。

4）若橋臂電流大于0時，對子模塊電容充電時，投入U～U所對應(yīng)的子模塊，切除U～U所對應(yīng)的子模塊；反之，若橋臂電流小于0，對子模塊電容放電時，投入U～U所對應(yīng)的子模塊，切除U～U所對應(yīng)的子模塊。

這種傳統(tǒng)均壓策略的確能夠有效地實(shí)現(xiàn)子模塊均壓，但是其在原理上并未考慮開關(guān)器件頻繁開斷的問題，僅僅是遵從在任意時刻都要保證各子模塊的電容電壓都相對一致的原則，根據(jù)子模塊電容電壓的實(shí)時排序結(jié)果以及橋臂電流的實(shí)時流向，選擇相應(yīng)的子模塊投入、切除。每一次排序之后，都可能造成子模塊投切狀態(tài)的改變，這勢必會造成IGBT的頻繁開斷，從而給系統(tǒng)帶來很多不必要的開關(guān)損耗，這是在實(shí)際工程應(yīng)用中人們不愿意看到。

3 優(yōu)化的子模塊均壓策略

在實(shí)際應(yīng)用中，人們所希望達(dá)到的子模塊均壓效果并不只是追求各子模塊電容電壓的一致性，而是希望將各子模塊電容電壓的波動穩(wěn)定在其額定值附近。所以，當(dāng)所有子模塊的電容電壓數(shù)值都已經(jīng)處于其額定值的附近時，并沒有必要進(jìn)行排序，可以直接沿用上一次排序的結(jié)果。而只有當(dāng)存在子模塊的電容電壓數(shù)值超出我們想要的范圍時，才進(jìn)行重新排序。

據(jù)此，我們可以在子模塊電容電壓的額定值附近設(shè)一組上、下限分別為U、U。當(dāng)所有子模塊的電容電壓值都位于這組上、下限之內(nèi)時，我們不進(jìn)行排序，直接沿用上一次的排序結(jié)果；當(dāng)存在子模塊的電容電壓值位于這組上、下限之外時，則進(jìn)行重新排序。這樣一來，既能保證各子模塊的電容電壓值都能穩(wěn)定在額定值附近，也能有效地減少子模塊投切狀態(tài)的改變，降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗。優(yōu)化的子模塊均壓策略流程圖見圖3。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證這種優(yōu)化的子模塊均壓策略的有效性，本文在Matlab/Simulink平臺上搭建了三相五電平的MMC模型，所用的仿真參數(shù)見表1。在這里我們設(shè)定子模塊電容電壓允許上下波動的幅度為其額定值的5％即10 V ，所以可選上、下限分別為U=210 V、U=190 V。

現(xiàn)以a相上橋臂為分析對象，并選取橋臂內(nèi)的一個子模塊。圖4和圖5所示的分別是采用傳統(tǒng)均壓策略和優(yōu)化均壓策略后所得到的該子模塊的觸發(fā)脈沖波形。從仿真結(jié)果的對比可以明顯看出，采用優(yōu)化的均壓策略后子模塊投切的頻率得到了很大程度上的改善，因此系統(tǒng)的開關(guān)損耗也會顯著減少，證明了這種策略的有效性。

圖4 采用傳統(tǒng)均壓策略后的子模塊觸發(fā)脈沖

圖5 采用優(yōu)化均壓策略后的子模塊觸發(fā)脈沖

圖6和圖7所示的則分別是采用傳統(tǒng)均壓策略和采用優(yōu)化均壓策略后所得到的a相上橋臂的所有子模塊的電容電壓波形。可以看到，采用優(yōu)化的均壓策略后，雖然各子模塊的電容電壓一致性受到了一定的影響，但其上下波動的幅度也能滿足在我們所設(shè)定的10 V之內(nèi)，對變流器的影響很小。

圖6 采用傳統(tǒng)均壓策略后的a相上橋臂電容電壓

圖7 采用優(yōu)化均壓策略后的a相上橋臂電容電壓

5 結(jié)論

本文提出了一種用于模塊化多電平變換器的優(yōu)化均壓策略，通過在傳統(tǒng)的基于電容電壓排序的均壓策略的基礎(chǔ)上引入子模塊電容電壓的上、下限U、U作為判定依據(jù)，來降低子模塊的投切頻率，從而降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗。最后在Matlab/Simulink平臺上搭建了三相五電平MMC模型，并將采用兩種均壓策略后得到的子模塊觸發(fā)脈沖波形以及子模塊電容電壓波形進(jìn)行對比，證明了優(yōu)化均壓策略的正確性及有效性。

[1] 楊曉峰.模塊組合多電平變換器(MMC)研究：[博士學(xué)位論文].北京:北京交通大學(xué)，2011.

[2] 李永東,依鵬. 大功率高性能逆變器技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 電氣傳動，2000,（6）：3-8.

[3] 李永東，饒建業(yè).大容量多電平變換器拓?fù)洹?現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].電氣技術(shù)，2008,（9）：7-12.

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[7] 劉鐘淇，宋強(qiáng)，劉文華.基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化，2010,34（2）:53-58.

[8] 王曉鵬.模塊化組合多電平變換器控制系統(tǒng)研制[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

Improved Voltage Balancing Control Method for Modular Multilevel Converter

Xie Peiwei1, Qian Shanbai2，Song Fei1

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2.No.73238 Troops of PLA，Zhoushan 316000，China )

For modular multilevel converter, it seems difficult to solve the questions of voltage balancing among the sub modules(SM) are difficult to solve. The traditional method, which uses the sorting results of the SM capacitor voltages and fires the IGBTs directly, leads to relatively higher power losses. This paper proposes an improved voltage balancing control method, which reduces the switching operation significantly and the switching losses of the converter. The model of MMC is realized by Matlab/Simulink, and the traditional and improved voltage balancing control methods are compared. The simulation results demonstrate that the model is reasonable and the improved method is effective.

Modular multilevel converter; voltage balancing of SM; switching frequency; switching losses

TM461

A

1003-4862（2017）01-0032-03

2016-09-15

謝佩韋(1991-),男，碩士。研究方向：電力電子技術(shù)。Email:2269677562@qq.com