適用于配電網(wǎng)互聯(lián)的內(nèi)聯(lián)式MMC型固態(tài)變壓器

殷 展，杜仁平，姜黎明，張建文，周劍橋，施 剛

（1.國(guó)網(wǎng)上海嘉定供電公司，上海 201800；2.上海交通大學(xué) 風(fēng)力發(fā)電研究中心，電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

隨著可再生能源和直流型負(fù)荷的發(fā)展，現(xiàn)有的單向輻射狀交流配電網(wǎng)已很難滿足可再生能源的消納及直流用戶對(duì)供電可靠性的要求，未來(lái)配電系統(tǒng)將發(fā)展為網(wǎng)狀的多電壓等級(jí)交、直流混合 配 電 架 構(gòu)[1]，[2]。

在直流混合配電網(wǎng)中，基于電力電子技術(shù)的固態(tài)變壓器具有多端口、高變比、多電壓形態(tài)等特點(diǎn)[3]～[5]。固態(tài)變壓器可提供多種交、直流端口，實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)和電力形態(tài)的可再生能源友好并網(wǎng)；同時(shí)，固態(tài)變壓器可提供靈活多向的可控功率，實(shí)現(xiàn)可再生能源的波動(dòng)功率平抑與“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于級(jí)聯(lián)H橋架構(gòu)的固態(tài)變壓器，該裝置提供了中壓交流以及低壓交、直流端口，適用于低壓交、直流微網(wǎng)的互聯(lián)應(yīng)用，但未提供中壓直流端口。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于模塊化多電平架構(gòu)的固態(tài)變壓器，該裝置可提供中壓交、直流以及低壓交、直流四類(lèi)端口，適用于交、直流混合配電網(wǎng)互聯(lián)，但該裝置的低壓直流端由中壓直流側(cè)通過(guò)DC-DC變換得到；當(dāng)中壓直流線路故障時(shí)，低壓直流亦無(wú)法維持運(yùn)行，其用戶側(cè)供電可靠性的提高尚需進(jìn)一步的研究。

本文提出一種內(nèi)聯(lián)式MMC型固態(tài)變壓器（interlink Modular Multilevel Converter based Solid State Transformer，iMMC-SST）。該 拓 撲 由 模 塊 化 多電 平 換 流 器（Modular Multilevel Converter，MMC）和多個(gè)雙有源橋變換單元 （Dual Active Bridge，DAB）構(gòu)成，同樣具備以上四類(lèi)交、直流端口，且避免了低壓直流和中壓直流的DC-DC互聯(lián)，當(dāng)某端口線路故障時(shí)，裝置的其余端口間依舊具備功率傳輸路徑，即裝置在端口故障時(shí)具備不間斷運(yùn)行能力。

1 iMMC-SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為iMMC-SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中：MMC通過(guò)子模塊（Submodule，SM）串聯(lián)升壓，以適用于中壓交、直流配電場(chǎng)合；多個(gè)DAB和SM在直流側(cè)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電壓變換、功率傳遞和高頻隔離功能，各DAB輸出側(cè)并聯(lián)形成低壓直流母線；低壓直流母線上可靈活接入三相/單相逆變器，為低壓交流用戶供電。該拓?fù)渚哂幸韵绿攸c(diǎn)：①中壓交、直流和低壓交、直流四類(lèi)端口，適用于交、直流混合配電網(wǎng)互聯(lián)；②低壓直流通過(guò)內(nèi)聯(lián)MMC的多個(gè)DAB單元并聯(lián)形成，其和中壓交流網(wǎng)的功率交互不受中壓直流側(cè)故障的影響，保證了低壓用戶側(cè)的供電可靠性；③各SM和DAB形成一個(gè)獨(dú)立的模塊單元，便于生產(chǎn)制造，多模塊結(jié)構(gòu)提高了裝置運(yùn)行的可靠性；④DAB模塊數(shù)目眾多，單一的DAB模塊容量需求較低，降低了DAB內(nèi)部高頻變壓器的設(shè)計(jì)難度和成本。

圖1 iMMC-SST拓?fù)銯ig.1 Topology of iMMC-SST

2 iMMC-SST工作原理

在三相平衡條件下，iMMC-SST的單相電路工作原理如圖2所示。模塊單元拓?fù)淙鐖D3所示。低壓側(cè)三相逆變器為獨(dú)立單元，已有較多文獻(xiàn)分析，因此本文不做考慮。圖2中：uga，iga為 網(wǎng) 側(cè)A相 電 壓 和 電 流；upa，ipa為A相上橋臂電壓和電流；ua，ia為A相下橋臂電壓和電流；Ud，Id為中壓直流母線電壓和電流；ULdc，ILdc為 低 壓 直 流 母 線 電 壓 和 電 流 ；ica為A相橋臂環(huán)流；Lg，La分別為網(wǎng)側(cè)電感和橋臂電感。圖3中，uopa為A相上橋臂子模塊的輸出電壓；ucpa，icpa為A相上橋臂子模塊電容的電壓和電流；iipa，idpa為子模塊直流側(cè)輸入電流和DAB的輸入電流；HFT為DAB的高頻變壓器；uopa為A相上橋臂DAB的輸出電流；Ls為高頻變壓器的漏抗。

圖2 iMMC-SST單相電路Fig.2 Single-phase circuit of iMMC-SST

圖3 iMMC-SST模塊單元拓?fù)銯ig.3 Power unit topology of iMMC-SST

基于圖2分析可得，MMC側(cè)環(huán)路電壓方程為

由 式（1），（2）可 知，通 過(guò) 調(diào) 節(jié) 橋 臂 電 壓 之 差，可實(shí)現(xiàn)MMC交流側(cè)電壓輸出，與網(wǎng)側(cè)進(jìn)行功率交換；通過(guò)調(diào)節(jié)橋臂電壓之和，可穩(wěn)定中壓直流電壓，并實(shí)現(xiàn)環(huán)流控制。

因此，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，為實(shí)現(xiàn)MMC的上述功能，上、下橋臂電壓須分別調(diào)節(jié)為

由式（7）可知，在iMMC-SST中，橋臂瞬時(shí)功率包含直流、基頻和二倍頻分量。其直流分量須由DAB吸收，以實(shí)現(xiàn)子模塊電容的能量平衡，維持裝置的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

基于圖3分析DAB側(cè)的工作原理，文中的DAB采用單移相方波調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)功率傳輸。為保證各模塊DAB間的功率均衡，各DAB將采用公共移相角。此時(shí)，A相上橋臂DAB模塊的傳輸功 率 為[8]，[9]

式中：n為電壓變比；φd為DAB的公共移相角；fd為DAB的方波頻率。

由式（8）可解DAB輸入電流為

由式（9）可知，采用公共移相角時(shí)，三相六橋臂中的各個(gè)DAB輸入電流相等，且低壓直流電壓穩(wěn)定時(shí)，該輸入電流為直流量。同理，可解得DAB的輸出電流為

根據(jù)式（10）可知，各DAB的輸出電流和對(duì)應(yīng)模塊的電容電壓成正比，當(dāng)電容電壓中存在波動(dòng)時(shí)，輸出電流中亦存在波動(dòng)。

令A(yù)相上、下橋臂電容電壓分別為

式 中：Uc為 模 塊 電 容 電 壓 的 直 流 分 量；Δucpa，Δuona分別為上、下橋臂電容電壓的交流波動(dòng)量；N為單橋臂的模塊單元數(shù)目。

根 據(jù) 式（8），（11）可 知，DAB模 塊 的 傳 輸 功 率包括直流功率和波動(dòng)功率，其中各DAB模塊傳輸?shù)闹绷鞴β手蛻?yīng)為低壓直流母線的輸出功率，則A相上、下橋臂DAB的瞬時(shí)輸入功率為

結(jié) 合 式（7），（12）可 知，橋 臂 瞬 時(shí) 輸 入 功 率 中的直流分量，將完全被級(jí)聯(lián)的DAB模塊單元吸收，并為低壓直流側(cè)的負(fù)載供電。因此各橋臂的子模塊電容均可維持能量平衡，從而保證iMMCSST的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

最后，分析iMMC-SST穩(wěn)態(tài)下的電容電壓波動(dòng)、二倍頻環(huán)流及DAB輸出電流波動(dòng)。為輸出式（3）中的橋臂電壓，MMC的A相上、下橋臂子模塊所采用的開(kāi)關(guān)函數(shù)為

式中：m=2Em/Ud為調(diào)制系數(shù)。

由式（15）可知，iMMC-SST的模塊電容電壓波動(dòng)由基頻和二倍頻分量構(gòu)成，該電容電壓低頻波動(dòng)現(xiàn)象和傳統(tǒng)的MMC是一致的[11]～[13]。

考 慮 電 容 電 壓 波 動(dòng) 時(shí)，聯(lián) 立 式（1），（15），A相橋臂環(huán)流可計(jì)算為

由式（16）可得無(wú)環(huán)流控制時(shí)，iMMC-SST的橋臂上將存在二倍頻環(huán)流分量，該內(nèi)部環(huán)流波動(dòng)現(xiàn)象亦和傳統(tǒng)的MMC是一致的。

基于三相電容電壓波動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性，各DAB輸出電流之和為

式 中：p，n分 別 為 上 橋 臂 和 下 橋 臂；a，b，c分 別 表示A，B，C三相。

由式（17）可知，三相平衡條件下，各DAB輸出電流中的波動(dòng)量將在低壓直流側(cè)相互抵消。

通過(guò)對(duì)iMMC-SST工作原理和能量平衡的分析，可得以下結(jié)論：①iMMC-SST的橋臂瞬時(shí)輸入功率中存在直流分量，該直流分量將通過(guò)DAB傳遞到低壓直流側(cè)，子模塊電容處于能量平衡狀態(tài)，iMMC-SST可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；②iMMC-SST中的子模塊電容為各端口功率交互時(shí)的緩沖能量池，因此，電容電壓中必然存在低頻波動(dòng)。波動(dòng)方程式（15）和MMC模塊電容電壓波動(dòng)一致，可依據(jù)MMC的電容選型方法設(shè)計(jì)iMMC-SST的電容，使電壓波動(dòng)在合理范圍內(nèi)，不影響iMMC-SST正 常 運(yùn) 行；③由 式（12），（17）可 知，直 流 功 率 與MMC電容電壓波動(dòng)導(dǎo)致的波動(dòng)功率會(huì)在各DAB模塊傳遞，其中直流功率為低壓側(cè)負(fù)載供電，波動(dòng)功率則在低壓側(cè)自平衡。因此MMC電容電壓波動(dòng)不影響低壓側(cè)的正常運(yùn)行與電壓穩(wěn)定，MMC和DAB可實(shí)現(xiàn)解耦控制。

3 iMMC-SST控制策略

iMMC-SST的控制策略如圖4所示。

圖4 iMMC-SST控制策略Fig.4 Control strategy of iMMC-SST

圖 中：ugd，ugq為 網(wǎng) 側(cè) 三 相 電 壓 的d，q軸 分 量；igd，igq為 網(wǎng) 側(cè) 電 流 的d，q軸 分 量；e*a，e*b，e*c為MMC三相交流側(cè)等效電壓參考值；ucpak，為A相上橋臂第k個(gè)子模塊電容電壓；u*pak為A相上橋臂第k個(gè)子模塊輸出電壓參考值。

MMC側(cè)的控制由PLL鎖相環(huán)、外環(huán)控制、內(nèi)環(huán)控制、電容電壓平衡控制以及調(diào)制5部分組成。外環(huán)控制采用定直流電壓控制；內(nèi)環(huán)控制采用有功無(wú)功電流控制；電容電壓平衡控制根據(jù)橋臂電流方向，確定各子模塊的附加參考電壓；調(diào)制方案采用移相載波技術(shù)[10]。

DAB單元的控制環(huán)路由低壓直流電壓控制以及方波調(diào)制兩部分組成。電壓控制根據(jù)低壓直流母線的電壓幅值，決定DAB所需傳遞的功率及移相角；調(diào)制部分則采用方波移相調(diào)制策略，輸出DAB所需的方波波形，實(shí)現(xiàn)直流功率和波動(dòng)功率的傳遞。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提的iMMC-SST拓?fù)涞墓ぷ髟砑翱刂撇呗哉_性，搭建了4.8 kV·A的iMMCSST實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖5所示。采用了5電平MMC與24個(gè)全橋型DAB模塊，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的電路參數(shù)如表1所示。

圖5 iMMC-SST試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.5 Diagram of iMMC-SST platform

表1 iMMC-SST實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of iMMC-SST prototype

圖中高頻變壓器與主回路柜裝設(shè)DAB內(nèi)部高頻變壓器以及外端口主電路無(wú)源器件（相電感、橋臂電感、負(fù)載等）。功率柜則由多個(gè)機(jī)箱搭建而成，各機(jī)箱內(nèi)部為8個(gè)功率單元和1個(gè)子控制器，功率單元的開(kāi)關(guān)模塊采用英飛凌公司的全橋IGBT模塊F4-75R06W1E3，各功率單元的交、直流端口可實(shí)現(xiàn)自由搭接；子控制器通過(guò)光纖和Myway公司的主控制器進(jìn)行通訊，構(gòu)成分層分布式控制系統(tǒng)，在減輕主控制器負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)模塊化，可擴(kuò)展性較強(qiáng)。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，iMMC-SST的中壓直流和低壓直流側(cè)負(fù)載分別從交流側(cè)吸收2.4 kW功率，而中壓交流側(cè)無(wú)功功率控制為0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 MMC-SST試驗(yàn)波形Fig.6 Waveforms of iMMC-SST

由圖6可知，中壓直流側(cè)電壓可穩(wěn)定在160 V，驗(yàn)證了MMC側(cè)直流電壓控制環(huán)的有效性。網(wǎng)側(cè)電流相位和電壓一致，驗(yàn)證了MMC側(cè)有功-無(wú)功電流控制環(huán)的有效性。電容電壓穩(wěn)定在40 V，且存在基頻和二倍頻波動(dòng)，而環(huán)流中除了直流分量外，存在二倍頻分量，驗(yàn)證了式（16）及MMC側(cè)工作原理分析的正確性。三相DAB輸出電流中的波動(dòng)量幅值一致，相位相差120°，可在低壓直流側(cè)自平衡，驗(yàn)證了式（17）及DAB側(cè)工作原理分析的正確性；低壓直流電壓穩(wěn)定在40 V，即采用公共移相角方案時(shí)，MMC中的功率波動(dòng)不會(huì)影響DAB的低壓直流電壓控制。驗(yàn)證了所提的運(yùn)行方案及控制策略，可實(shí)現(xiàn)iMMC-SST內(nèi)部能量平衡，三端口間的靈活功率交互及電壓穩(wěn)定控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適用于交、直流混合配電網(wǎng)的網(wǎng)間互聯(lián)的iMMC-SST，分析了該拓?fù)涞墓ぷ髟?，設(shè)計(jì)了其相應(yīng)的運(yùn)行和控制方案，隨著交、直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展，在未來(lái)iMMC-SST將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。面對(duì)大量可再生能源的接入，固態(tài)變壓器可提供多種交、直流端口，實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)和電力形態(tài)的可再生能源友好并網(wǎng)；同時(shí)，固態(tài)變壓器可提供靈活多向的可控功率，實(shí)現(xiàn)可再生能源的波動(dòng)功率平抑與“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)控制。