基于子模塊電容電壓分塊的MMC直流均壓控制法

牛軼霞,劉振杰,劉英杰

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

基于子模塊電容電壓分塊的MMC直流均壓控制法

牛軼霞,劉振杰,劉英杰

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

針對模塊化多電平換流器在均壓控制方面排序慢，開關動作次數多，以及換流器損耗大的問題，提出一種提高MMC的電容電壓分塊均壓控制方法.依據橋臂電容電壓極值來確定分塊組合個數，用排序的復雜度和電壓均衡效果來確定分塊的多少，將不同大小的電容電壓子模塊放入不同的分塊組合中，然后根據需要投入子模塊的數目和電流方向進行優化排序，改變子模塊的投入和切除狀態.在PSCAD/EMTDC中21電平的MMC仿真結果顯示，提出的均壓方法加快了均壓控制的排序，同時利用 IGBT使換流器的開關損耗得到了降低.

模塊化多電平換流器；均壓控制；排序；電壓分塊

高壓直流輸電系統(High Voltage Direct Current, HVDC)和靈活的交流輸電系統(Flexible AC Transmission System, FACTS)在遠距離和大容量輸電方面具有很大的優勢[1-2]，采用電壓源換流器(voltage source converter, VSC)和脈沖寬度控制(pulse width modulation, PWM)技術的高壓直流(HVDC)輸電成為了電壓源高壓直流輸電發展的主流方向[3-4].然而基于VSC的高壓直流輸電通常輸出的是低電平，受到了電壓等級和輸出電平數的限制，輸出波形較差.與2電平和3電平的拓撲結構相比，模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter)有很多技術優勢[5-7]，但是隨著電平輸出數的增大以及輸出功率的增加，子模塊(SM)的控制方法變得更加復雜，子模塊的電容電壓排序以及均壓控制成了最需要解決的問題.

MMC的子模塊均壓控制一直在不斷地改進與創新，已經取得了很好的科研成果.文獻[8]重心是對投入和切除狀態的兩組子模塊按電壓值分別進行排序.這種方法能降低了IGBT的開關頻率，從而起到了降低開關損耗的作用，但是需要對所有的子模塊進行均壓排序.文獻[9]針對電容電壓的不平衡而導致的波形畸變，結合載波移相調制方法(PWM)提出了三相橋臂平均電壓控制的方法，提高了電容電壓穩定的能力，但是與傳統均壓控制方法相比，開關功率損耗大.文獻[10]主要考慮的是針對電容電壓越限的子模塊，通過引入保持因子優化控制策略，維持原來子模塊的投切狀態，通過這種方式來降低IGBT的開關頻率，均壓效果受到影響.文獻[11]主要是在算法上有所創新，在實踐上得到了較好的使用，但是受到電平數目的限制.

本文針對子模塊的排序以及開關次數和換流器的損耗，減小在排序過程中資源不必要的占用，提出了一種MMC子模塊電容電壓分塊均壓控制法.此方法在一定程度上降低了排序的復雜度，減小了開關次數也降低了子模塊IGBT的開斷損耗.

1 電容電壓分塊均壓控制法

1.1 電容電壓排序

冒泡排序、插入排序、選擇排序、快速排序等這些都是目前最常用的也是最基本的排序方法，以子模塊的電容電壓值為目標，對所有的電壓值進行排序，排序算法的復雜度正比于子模塊的數目，數目越多，復雜度就越高，這給硬件的實時均壓帶來了更大的壓力，針對這個問題，本文提出了一種電壓均壓的分塊均壓控制法，不僅保證了控制效果，使計算復雜度不至于過高，同時也減小了IGBT的開關損耗.

1.2 電容電壓分塊原則

首先遍歷所有子模塊的電容電壓，獲取電容電壓的最大值Umax和最小值Umin，設穩態時子模塊電容電壓Uref作為參考標準，把所有的電容電壓分成W塊，每一塊的區間用來作為子模塊電容電壓的一個組合，每一塊中電容電壓最大與最小的差值為Δv，

(1)

每一塊相當于一個組合，對于第i個組合中，其電壓差值也有上下限分別記作Umax，i和Umin,i那么

(2)

第i個組合用來盛電容電壓范圍是介于Umin,i和Umax.i之間的子模塊，每個組合對應一個子模塊的電容電壓區間.設每個組合內子模塊的個數為mblock1，mblock2，…mblockW，同樣數據個數對應著子模塊的個數，對于第i個組合，Umax，i和Umin,i如圖1所示.

圖1 分塊電壓組合圖

假設橋臂需要投入子模塊運行個數為mon，存在：

(3)

則將組合1到組合W中對應的子模塊全部投入，并將下一個數組對應的子模塊視為具有同等的優先使用等級，從中任意拿取需要個數的數據mrest對應的子模塊，令

(4)

通過這種分塊處理，只需要將子模塊電壓分放到對應范圍的分塊組合中，這只需要在不同組合之間比較，排序的計算量明顯減小，在均壓方面也是有效果的.

1.3 電容電壓分塊個數的確定

在將子模塊進行分塊處理的時候，各個組合內部不進行排序，只是將所有的電壓差按照一定的范圍進行了分塊，分塊處理實際上就是以比較的過程代替了排序過程.所以，組合的數目在一定程度上決定了算法的時間復雜度，倘若組合數目過多的話，就會導致計算的時間復雜度增大，同樣，過少的話也會影響均壓的效果.最后，本文要從時間復雜度和均壓效果來確定分塊組合的數目.

1.3.1 時間復雜度的衡量

在N+1電平的MMC換流器中，用D1(N)表示冒泡排序法在電容電壓排序的時間復雜度，則有

(5)

對電容電壓采用分塊處理時，首先獲得所有子模塊電容電壓的極大值和極小值，以及設定電容電壓的額定值作為參考值，然后獲得所有電壓與極值的差值，然后依據電壓差值的上下限將所有的差值放入對應的數組中，它的時間復雜度用D2(N)表示，則有:

(6)

MMC系統正常運行時，子模塊的電容電壓在充放電的過程中，總是運行在額定值Uref附近，當電壓較低時，在運行中優先進入充電狀態，當電壓較高時，在運行中優先進入放電狀態.所以，本文依據電容電壓偏離額定值Uref的大小來衡量均壓效果.眾所周知，拋除時間復雜度，從均壓效果來看冒泡排序法是最好的.當采用冒泡排序法時，可允許的子模塊電容電壓偏差為p，則有:

(7)

采用本文所提出的電容電壓分塊的方法，降低了時間復雜度，但是可能會帶來電壓的波動，以最惡劣的情況為假設，要保證電壓的波動在允許的范圍內，那么電壓的偏差就不應該超過p+Δp，在這時候應該滿足：

(8)

在考慮兩個極端的情況下，則有：

(9)

將兩組式子結合，就可以得出：

(10)

最后，綜合考慮兩方面以及結合上面兩個式子，得出電容電壓均壓控制的分塊的組合數目W應該滿足：

(11)

通過放電過程，對此進行詳細敘述:橋臂電流小于零，投入的子模塊處于放電狀態.假如上一個電平運行時，第一個組合到第i-1個組合中對應的子模塊均投入，并且第i個數組對應的子模塊投入了mrest個；下一個電平運行時，投入的子模塊電容電壓的差值小于Δv，這說明根據子模塊電壓將子模塊重新放入當前所在的數組中，這樣做既省去了不必要的重新分塊，同時也減小了子模塊的開關次數.

1.3.2 電容電壓分塊均壓控制的流程

首先檢測電容電壓的偏差值，對電容電壓進行分快處理。當橋臂中運行的子模塊個數mon小于總子模塊數的一半時，從第1個組合開始逐層向上搜索組合并運行相應子模塊；如果運行的子模塊數mon大于或者等于總的模塊數的一半時，則從第W個組合開始旁路子模塊.如圖2所示，電容電壓分層控制流程.

圖2 電容電壓分層均壓控制流程

基于本文提出的電容電壓分塊均壓控制方法，計算量能夠降低，并且通過此排序方法取得了良好的均壓效果，而且還在一定程度上減小了IGBT的開關損耗.實現的整個流程為：遍歷所有子模塊電容電壓，并獲得子模塊電容電壓的極大值和極小值的差值，如果差值在允許范圍之內，那就不用重新分塊，保留原來狀態，差值大于零的組合對應的子模塊繼續放電，差值小于零的組合對應的子模塊則繼續充電.

2 仿真分析

本文利用PSCAD仿真軟件，在EMTDC環境下建立了21電平MMC直流輸電系統模型，如圖3所示.

圖3 單端21電平MMC直流輸電系統

單端21電平MMC輸電系統的參數見表1.

表1 系統主參數

參數名稱數值直流側電壓9kV預充電電壓1．125kV子模塊電容3mF橋臂抑流電感10mH調制波頻率50Hz控制器取樣頻率1500Hz

20個正常運行的子模塊構成一個橋臂，在仿真例子中采用NLM方法，整流側采用的是定有功和定無功的控制.以A相上橋臂為例，圖4為應用傳統均壓控制法而得到的子模塊電容電壓波形，圖中每一條線代表一個子模塊電容電壓，從圖中可以看出，子模塊電容電壓的偏差一直在(0.85～1.15)Uref附近充放電，具有一定的子模塊電容電壓均壓效果.

圖4 傳統均壓得到的電容電壓波形

圖5是采用本文電容電壓的分塊均壓控制方法時各個子模塊的電容電壓，從一系列仿真結果中可以發現，算法的時間復雜度正比于分塊組合個數W，隨著組合數W的減小而減小，但是電壓的波動在不斷增加.圖5以W=2為例，得到的是子模塊的電容電壓圖，圖6是穩態時線電壓的總的畸變率.

圖5 W=2時子模塊的電容電壓

圖6 線電壓諧波總畸變率

表2是當W分別為2,3,4時仿真結果.表2在時間段0.74～0.82s統計，將電容電壓分塊控制策略與傳統均壓調制策略進行比較，主要在三個方面：時間復雜度、排序/分塊次數、IGBT開斷次數.

表2 均壓控制結果對比

模型時間復雜度排序/分塊次數開斷次數傳統均壓1802761968本文均壓(2)901691136本文均壓(3)1101921310本文均壓(4)1302091426

從表2可以看出，應用傳統均壓調制而得到了較好的子模塊的均壓效果，但是需要對所有的子模塊電壓進行排序，這樣大大增加了算法量，同時排序次數也很高，子模塊的開關損耗也變得很大.

3 結束語

本文提出了一種將模塊化多電平換流器的子模塊進行分塊處理，使其適用于高電平MMC的均壓控制方法.將全部子模塊的電容電壓放入分塊組合中，在不同的分塊組合之間進行優化，這有利于降低排序復雜度并且減小了使用絕緣柵雙極型晶閘管(IGBT)換流器的開關損耗.在實際應用中，隨著電平數目的增多，與傳統排序方法相比，該方法可有效地避免所有的子模塊電容電壓的排序，在一定程度上減小了均壓控制在整個周期中所占的比例.

同時，本文所提出的子模塊電容電壓分組均壓控制方法具有較好的穩定電容電壓的能力，能夠輸出較好的電壓波形，也能確保換流器的安全與穩定.

與傳統的均壓策略相比，采用本文提出的分塊均壓策略能有效地降低了算法的時間復雜度，而且降低排序和IGBT的開關次數.W值越小，分塊次數越小，算法時間復雜度也在減小，IGBT的開關損耗也跟隨降低.因此合適的W值，不但保證了均壓效果，而且還可以降低算法的運算量和開關次數，對子模塊的均壓起到了優化效果.

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(編輯：姚佳良)

Block modulation and voltage balance control of the sub-modules in modular multilevel converter direct-current

NIU Yi-xia，LIU Zhen-jie, LIU Ying-jie

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China )

A kind of high level of modular multilevel converter (MMC) capacitor voltage blocking balance control method is proposed to solve the problem, which the modular multilevel converter in equalizing control sorting slow, switching frequency, and the large inverter loss. Firstly, according to the extreme value of bridge arm capacitor voltage to determine the block combination, with the complexity of the sorting and the influence of voltage balance to determine how many combined number. Secondly, putting different sizes of capacitor voltage sub-modules in different block combinations, then according to the needs of input number of sub-modules and current direction to conduct optimized sorting, and change the sub-modules′ input and resection status. The 21 levels MMC inverter is built in PSCAD/EMTDC and its simulation results show that the equalizing method can speed up the sorting of equalizing control, at the same time, the switching losses of the converter which use Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) are reduced.

modular multilevel converter; pressure equalization control; sort; voltage blocking

2016-09-21

牛軼霞,女,songniu@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)06-0058-05

TM7

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