一種基于電流滯環控制的模塊化多電平變流器調制策略

彭也倫　黃守道　張文娟　黃　晟　汪星耀

(1.湖南大學國家電能變換與控制工程技術研究中心　長沙　410082 2.長沙學院電子信息與電氣工程系　長沙　410003)

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一種基于電流滯環控制的模塊化多電平變流器調制策略

彭也倫1黃守道1張文娟2黃晟1汪星耀1

(1.湖南大學國家電能變換與控制工程技術研究中心長沙410082 2.長沙學院電子信息與電氣工程系長沙410003)

針對模塊化多電平變流器(MMC)在中低壓領域中的應用，提出一種改進型最近電平逼近(NLM)調制策略，調制策略中引入電流滯環控制環節對最近電平逼近調制結果進行修正，并分析了滯環環寬的設定。該調制策略實現簡便，動態性能好，控制器計算量小。對傳統NLM調制策略和該文提出的改進型NLM調制策略進行了仿真和試驗對比。仿真和試驗結果表明，該調制策略可明顯改善輸出電流波形的質量，具有良好的動態性能，實現了輸出電流對參考電流的快速、精確跟蹤。

模塊化多電平變流器滯環電流控制最近電平逼近輸出電流質量

0　引言

模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter，MMC)在高壓直流輸電、電力系統的電能質量治理、大功率電力傳動系統等領域具有廣闊的應用前景。相比于傳統的兩電平變流器，模塊化多電平變流器的優勢主要體現在：①模塊化的設計可以獲得更高的電壓等級，易實現冗余化結構，從而提高可靠性；避開了絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)耐壓的技術瓶頸；②輸出電平數多，波形質量高，可以降低對交流側濾波器的要求，甚至可以不安裝交流側濾波器；③IGBT無需頻繁投切，開關頻率小，變流器損耗低；④階躍電流和階躍電壓小，開關器件承受的應力下降等[1-3]。

脈沖調制技術是決定模塊化多電平變流器性能的關鍵技術之一。傳統的多電平調制技術主要分為脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)和階梯波調制(Staircase Modulation，SM)兩種方式[4]。目前提出的PWM控制方案有載波移相、載波層疊、空間矢量PWM[5-10]等。PWM調制跟蹤性能好，實現簡單，當電平數較少時可明顯改善電流波形輸出質量。但是隨著電平數增多，PWM方式的控制結構會變得非常復雜，系統計算量急劇增大。

階梯波調制可分為特定諧波消去調制(Selective Harmonic Elimination，SHE)和最近電平逼近調制(Nearest Level Modulation，NLM)等。其中SHE是通過事先對不同調制波幅值的基波和諧波解析表達式的離線計算，計算出一組開關角，完成對正弦調制波的跟蹤，并消除指定次的低次諧波[11]。該方法能有效消除諧波，但動態性能差、計算量大。最近電平逼近調制使用最接近電壓參考值的電平去逼近正弦調制波，具有動態性能好、易于實現等優點。但當子模塊數較少時，最近電平逼近調制具有電流波形質量差、諧波畸變率高等缺點[12]。根據文獻[12]，當電平數大于21時，才能保證有較好的電流電壓諧波特性。最近電平逼近調制一般適用于電平數非常多的場合。

隨著IGBT等電力電子器件的容量和耐壓水平的提高，許多應用場合MMC并不需要太多的電平數。為了拓展NLM調制的使用范圍，文獻[13]提出了一種改進的NLM調制方法，將電平動作的條件由常規四舍五入的0.5改為0.25，使一個橋臂上N個子模塊的MMC可以最多輸出2N+1種電平，改善了NLM調制的輸出相電壓波形質量，但同時造成了橋臂電壓波形的偏移。文獻[14]同樣提出調整電平動作條件由0.5變為靈活整定的A值，但并未對A的取值進行定量分析。文獻[15]結合PWM調制和NLM調制的優點，提出了一種混合型的調制策略，該控制策略將電壓調制值與其取整之后的值做差進行PWM調制，獲得了近似載波層疊PWM調制的效果，但當PWM載波頻率較低時，有較大的環流產生。文獻[16]也提出一種PWM調制與NLM調制相結合的調制策略，但僅適用于該文中提出的改進型MMC拓撲，且開關頻率很高。

在許多MMC的應用領域，MMC的網側電流控制性能決定了系統性能的優劣。上述提到的調制策略均未考慮MMC的電流跟蹤性能。文獻[17]指出，電流滯環控制可以實現對參考電流的快速跟蹤。滯環控制將被控量與其給定的滯環閾值進行比較，若大于所設上限閾值或小于所設下限閾值，則改變變流器的開關狀態，將被控量控制在上限閾值和下限閾值之間，若被控量在上限閾值和下限閾值之間，則保持其開關狀態，具有實時、響應速度快的優點。目前主要應用在傳統的兩電平PWM整流器和級聯型多電平變流器上[17]。由于包括MMC在內的多電平變流器開關狀態非常多，滯環控制的實現十分復雜。文獻[18]提出了一種電流滯環控制應用到多電平變流器調制的方法，獲得了很好的調制效果，并計算分析了滯環環寬與開關頻率的關系，但主要是針對H橋級聯型多電平變流器的特點，電流誤差絕對值在不同的環寬區間內，會驅動不同的開關器件動作，并不適用于MMC。

結合電流滯環控制響應速度快、控制精度高和NLM實現簡單的優點，本文提出了一種改進型NLM調制策略，運用電流滯環控制器對NLM調制所計算出的子模塊的開關狀態進行實時修正，以實現對參考電流的精確跟蹤，并改善輸出電流波形質量。此外，對滯環的環寬進行了分析。最后對傳統NLM調制策略和本文提出的改進型NLM調制策略進行了仿真和試驗對比，仿真和試驗結果表明，本文提出的調制策略可明顯改善輸出電流波形的質量，具有良好的動態性能。

1　MMC的工作與等效電路

圖1為三相MMC的主電路拓撲結構。三相MMC變流器共有A、B、C三個相單元，每個相單元有上下兩個橋臂，上下橋臂各有N個子模塊。上下橋臂分別串聯了電抗器，L為橋臂串聯電抗的電感值。子模塊由一個IGBT半橋和電容組成，每個子模塊可以在輸出端口Usm處輸出電容電壓Uc和0兩種電平。通過控制橋臂上子模塊的投入數量，可以在相單位的交流輸出側輸出N+1種電平。

圖1　MMC主電路拓撲結構Fig.1　The main circuit topology of MMC

MMC的控制系統通常采用的是基于矢量控制策略的雙閉環結構[3]。功率控制外環一般采用有功功率控制或直流電壓控制器等。功率外環根據有功功率或直流電壓等參考值計算出內環電流參考值。電流內環控制通過PI控制器計算出輸出電壓的調制值，使dq軸電流快速跟蹤其參考值。圖2為MMC基本控制結構框圖。

圖2　MMC基本控制結構Fig.2　Basic control diagram of MMC

為了優化MMC的運行，在雙閉環控制結構的基礎上通常會加入環流控制器、穩壓控制器、均壓控制器等附加控制器。附加控制器在主控制器計算出的上下橋臂電壓參考值的基礎上加入一定的修正量，從而達到穩定和均衡電容電壓、抑制環流的效果。最終得到的上下橋臂電壓調制值經過脈沖調制得到IGBT的驅動信號。

圖3a為MMC單相等效電路，根據基爾霍夫電壓定律可得

(1)

(2)

式中，udc為直流母線電壓；ej為j相電網電動勢；upj和unj分別為上、下橋臂電壓；ij為j相輸出電流；Larm為橋臂電感；Le和Re分別為網側等效電感與電阻；下標j=a、b、c。將式(1)和式(2)相加后除以2，可得

(3)

根據文獻[4]有，MMC輸出電壓us和輸出電流ij分別為

(4)

ij=ipj+inj

(5)

將式(4)和式(5)帶入式(3)，可得

(6)

式中，L′=Larm/2+Le。 由式(6)可得到如圖3b所示的等效電路。結合式(3)與式(6)可以分析得出，通過調制橋臂電壓upj和unj，可以控制MMC輸出相電壓的幅值與相角，從而實現對MMC工作狀態的靈活控制。上、下橋臂電壓的參考值分別表示為

(7)

(8)

圖3　MMC單相等效電路Fig.3　Single-phase equivalent circuit of MMC

2　改進型NLM控制

2.1電流滯環控制原理

將式(6)進行變形有

(9)

對式(9)進行積分有

(10)

(11)

(12)

2.2傳統NLM調制的電流跟蹤性能

根據文獻[4]，當采用最近電平逼近時，上、下橋臂需要投入的子模塊數可分別表示為

(13)

(14)

相比于直流母線電壓，穩壓、環流等附加控制器輸出的參考電壓修正量Δuc很小，Δuc≈0，則有

(15)

若子模塊電容電壓均衡良好，此時輸出j相電壓Usj可表示為

(16)

將式(16)帶入式(12)有

(17)

當調制電壓為正弦波，MMC橋臂子模塊數為5，調制系數為1時的輸出電壓和電流誤差的波形如圖4所示。

圖4　傳統NLM調制方法與電流誤差波形Fig.4　Traditional NLM module method and differential current

由圖4可以看出，電流誤差以基波周期進行變化，可以基本實現對參考電流的跟蹤。使用傳統NLM調制，電流誤差ijdiff的變化規律可以總結如下：

為改善員工作業環境，方圓生產總廠還對電解車間凈化勞保進行了調整，將防毒口罩全部更換為以防護砷化氫為重點的1#濾毒盒防毒口罩，發揮出了較為優越的保護效果，受到了員工的認可和好評。

當電平數較小時，傳統NLM調制會造成較大的電流誤差。同時在調制波的波峰位置，傳統NLM調制的跟蹤性能很差，嚴重影響輸出電流波形質量。

電流滯環控制可以實時、快速地實現電流跟蹤。但是考慮到MMC開關狀態多的特點(正常情況下，MMC單相有22N個不同的開關狀態)，很難直接使用電流滯環控制進行調制。

結合NLM調制和電流滯環控制特點，設計了電流滯環控制器。控制器根據式(12)計算出電流誤差，電流誤差輸入根據如下判據，輸出修正量Δu。

改進型NLM控制框圖如圖5所示。

圖5　改進型NLM控制框圖Fig.5　Control diagram of improved NLM module method

圖6為11電平MMC使用改進型NLM調制，1/4基波周期內輸出相電壓、參考電壓與電流誤差之間的關系。

圖6　改進型NLM調制方法與電流誤差波形Fig.6　Improved NLM module method and differential current

3　電流滯環控制器環寬分析

電流滯環控制器的環寬直接影響電流控制的性能，滯環環寬越窄，控制精度越高，電流跟蹤性能越好。對于兩電平PWM變流器和H橋級聯型多電平變流器來說[17，18]，滯環環寬2δ與開關頻率呈反比關系。定環寬的滯環電流控制會造成開關頻率的波動。但是對于MMC，由于均壓控制環節存在，電流滯環控制器的環寬與開關頻率并無直接關系。由文獻[19]可知，當采用常用的排序控制進行均壓時，影響開關頻率的主要因素是排序頻率。但是當電平改變頻率(即等效開關頻率)大于排序頻率時，會導致某一個子模塊反復開通、關斷，損耗增加，子模塊工作壽命下降。所以有必要對等效開關頻率與滯環環寬之間的關系進行分析。

Tact=Tup+Tdown

(18)

環寬與上升時間Tup和下降時間Tdown可分別表示為

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

將式(23)和式(24)帶入式(21)和式(22)后，由式(18)～式(22)整理可得輸出等效開關周期為

(25)

(26)

(27)

(28)

則可得等效開關頻率

(29)

結合式(25)、式(28)和式(29)分析可知：

1)等效開關頻率與等效電感大小呈反比關系，與電流滯環環寬2δ呈反比關系。

以排序頻率為1 kHz的MMC控制系統為例，MMC的等效電感L′為2 mH，其等效開關頻率fact應小于1 kHz，則電流滯環環寬2δ可取的最小值為0.125 A。

4　仿真與實驗結果認證

4.1仿真結果認證

為了驗證本文提出的基于滯環電流控制的改進型NLM調制策略，在Matlab/Simulink環境下搭建了三相六橋臂的MMC仿真模型。其中每個相單位由30個子模塊構成，上、下橋臂各15個。直流母線電壓為60 kV，交流側相電壓幅值為25 kV，每個模塊的初始電壓為4 kV，子模塊電容C為6 mF，橋臂串聯電感L為3 mH，等效電阻為0.1 Ω。本文采用經典排序法進行均壓控制，系統控制頻率為5 kHz，并采用5個控制周期進行1次排序的方法以降低開關頻率[19]。

在前0.35 s，MMC控制系統采用傳統NLM調制，在0.35 s投入電流滯環控制器。設定環寬為2δ=0.4 A。仿真結果如圖7所示。

圖7　MMC變流器仿真波形Fig.7　Simulation result of MMC

由圖7所示，輸出相電壓波形在投入電流滯環控制器后電平動作次數明顯增加，輸出相電流波形在波峰位置得到明顯改善。在0.3 s，MMC輸出相電流諧波畸變率(THD)為5.6%。在0.38 s滯環電流控制器投入后，THD降為2.1%,輸出相電流諧波含量明顯降低。

如圖7c所示，滯環電流控制器投入前電流誤差較大，說明實際輸出電流相比于參考電流有較大偏差，在滯環電流環節投入后，電流誤差迅速變小。實際輸出電流表現出對參考電流良好的跟蹤性能。

上橋臂子模塊電容電壓波形如圖7d所示，在投入滯環電流控制器前后，電容電壓并未出現較大波動，平均值保持在4 kV，控制系統表現出較好的穩定性。

為了驗證該調制策略的動態性能，使用載波移相調制策略[4]進行了對比仿真實驗。圖8為分別使用兩種調制策略的輸出相電流波形。圖8a使用了本文提出的調制策略，輸出相電流未出現較大波動且迅速穩定。相比于載波移相調制策略，其電流響應速度更快，動態性能更好。

圖8　MMC輸出相電流波形Fig.8　Output current waveform

4.2試驗結果認證

為了驗證本文提出的基于電流滯環控制的改進型NLM調制策略，在實驗室搭建了單相9電平MMC的原型機。原型機參數見表1。

表1　MMC原型機參數Tab.1　The parameter of MMC

原型機的主控制系統采用DSP+FPGA的架構。DSP作為主控制器完成核心控制系統的數值運算，FPGA作為子控制器完成子模塊驅動脈沖的分配、死區產生和故障信號處理等功能。MMC交流側經過調壓器接入電網，直流側接入10 Ω的電阻器作為等效負載。電流實驗波形如圖9所示。

圖9　MMC原型機輸出電流波形Fig.9　The effect of MMC output current

在采用傳統NLM調制時，由于MMC電平數較少，輸出電流波形正弦性較差，電流諧波含量為7.2%。在接近電平變化的位置，波動幅度較大。在電流波峰位置，由于此時電流誤差較大，出現了尖峰波形。加入滯環電流控制器后，電流波形質量增強，波形更為平滑，諧波含量降為3.4%。

圖10為使用基于電流滯環控制的改進型NLM調制時的子模塊電容電壓波形。由圖可以看到MMC變流器工作正常，各子模塊電容電壓均衡良好。由于采用了相較于仿真更高的排序頻率，電容電壓波形更為集中。

圖10　MMC子模塊電容電壓實驗波形Fig.10　Experiment waveform of capitor voltage

圖11為突加負載時，MMC輸出電流變化的波形。由圖可知相電流響應速度快且波形能夠迅速穩定。

圖11　MMC突加負載輸出電流Fig.11　Experiment waveform of output current when load changed

5　結論

傳統NLM調制策略在電平數較少的情況下，輸出電流無法精確跟蹤參考電流，且會出現輸出相電流諧波含量高、波形質量差的問題。本文分析了傳統型NLM調制策略和電流誤差變化規律及滯環電流控制的原理。提出了一種新穎的基于滯環電流控制的改進型NLM調制策略，通過該調制策略可以將電流誤差控制在所設定的環寬范圍之內。對電流滯環控制器的環寬進行了分析，推導出了環寬與等效開關頻率之間的關系。 最后通過仿真和試驗對比了傳統NLM調制和基于電流滯環控制的改進型NLM調制的輸出電流波形。試驗結果證明了改進型NLM調制策略可以顯著提升輸出電流波形質量，實現輸出電流對參考電流的快速、精確跟蹤。

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A Modulation Strategy Based on Current Hysteresis Control for Modular Multilevel Converter

Peng Yelun1Huang Shoudao1Zhang Wenjuan2Huang Sheng1Wang Xingyao1

(1.National Engineering Research Center of Energy Conversion and ControlHu’nan University Changsha410082China 2.Department of Electron and Communication EngineeringChangsha UniversityChangsha410003China)

An improved nearest level modulation (MLM) method is proposed in this paper，for modular multilevel converters (MMC) in low-voltage and medium-voltage application.An current hysteresis controller is used to correct the differential current.The hysteresis band of the hysteresis controller was analyzed.The proposed modulation method has merits such as easy implementation，good dynamic performance，small calculation burden.Comparison between traditional NLM and improved NLM is presented in simulation and experiment.The results prove that the proposed method can effectively improve the quality of output current and follow the reference current accurately.

Modular multilevel converter，hysteresis control，nearest level modulation，output current quality

2015-04-28改稿日期2015-07-06

TM46

彭也倫男，1991年生，博士研究生，研究方向為分布式發電系統、柔性直流輸電等。

E-mail：pengyelun@163.com

張文娟女，1986年生，博士，講師，研究方向為電力電子與電力傳動等。

E-mail：zwjs0909sina.com(通信作者)

國家國際合作專項(2011DFA62240)和國家自然科學基金(51377050)資助項目。