一種基于比例-諧振（PR）控制的MMC環流抑制策略

謝佩韋，楊 聰

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一種基于比例-諧振（PR）控制的MMC環流抑制策略

謝佩韋，楊 聰

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

環流是模塊化多電平變換器（MMC）的固有屬性，其存在讓子模塊電容電壓波動幅度增大，并導致橋臂電流畸變且峰值增加，影響系統的運行特性。傳統的基于二倍頻負序旋轉坐標變換的環流抑制策略控制環節繁瑣且有一定局限性。本文分析了一種基于比例-諧振（PR）控制的環流抑制策略，該策略控制環節簡潔、適用于任意相數的MMC系統。最后通過Matlab/Simulink平臺上的仿真，證明了策略的有效性。

模塊化多電平變換器 環流 二倍頻負序坐標變換 比例-諧振

0 引言

21世紀以來，電力電子技術的發展日新月異，多電平變換器已日漸取代傳統的器件串并聯技術與多重化技術，成為高壓交直流輸電以及電氣傳動領域的新寵。目前，應用最主流的多電平變換器拓撲有二極管鉗位型、電容鉗位型和級聯H橋型這三種結構。

模塊化多電平變換器（MMC）是由德國科研學者R.Marquardt于2002年首次提出的一種新型的多電平變換器拓撲結構。它相比于傳統的多電平變換器具有諸多的優勢：省去了鉗位二極管和鉗位電容、無需體積笨重的多繞組變壓器、可以四象限運行、高度模塊化設計、諧波特性好、不平衡工作能力強。MMC拓撲一經提出，就得到了國內外電力電子領域的密切關注。目前對MMC的研究方向主要集中在其調制手段、子模塊均壓策略以及環流抑制策略上。其中，如何在動態過程中抑制MMC橋臂內部流動、呈二倍頻負序性質的環流，是實現MMC應用的重難點之一。

文獻[5]針對環流的性質提出了一種基于二倍頻負序旋轉坐標變換的環流抑制策略，將MMC三相環流通過3/2坐標變換成兩個直流量，再使用比例-積分（PI）控制器對其進行抑制。但是這種策略控制電路較復雜，并且只能針對環流的二倍頻分量進行抑制，另外其僅適用于三相MMC系統，具有一定的局限性。

本文提出了一種基于比例-諧振（PR）控制的環流抑制策略，這種策略不僅能對環流的主要諧波成份——二倍頻分量進行抑制，還能對其他偶次諧波進行抑制。除此之外，這種策略不含有坐標變換以及相間解耦環節，相比于基于二倍頻負序坐標變換的環流抑制策略，其控制電路得到了簡化，系統運算量得以減少。最后，這種策略不僅僅適用于三相的MMC系統，還適用于單相或是其他相的MMC系統。

1 MMC拓撲結構及工作原理

如圖1.1所示的是三相MMC逆變器的拓撲結構，該逆變器由三個完全一致的相單元構成，每一相都并接于直流母線的兩端。MMC相單元又可以分為上、下兩個橋臂，每個橋臂包含N個拓撲結構一致的子模塊SM1～SMn和橋臂電感。表示MMC直流母線電壓，、表示流經上、下橋臂的橋臂電流，、表示上、下橋臂子模塊電壓之和，、表示逆變側阻感負載。

圖1.1 三相MMC逆變器拓撲

圖1.2 MMC子模塊拓撲

MMC子模塊的拓撲結構如圖1.2所示，其由兩個加反并聯二極管的開關器件VT1、VT2和一個直流電容構成，VT1、VT2互補導通。當VT1開通VT2關斷時，子模塊投入工作，此時橋臂電流對子模塊進行充電或放電；當VT1關斷VT2開通時，子模塊不投入工作，子模塊電壓值不變。為保證MMC的輸出特性，在任一時刻上、下橋臂投入的子模塊數量之和應為N。

2 傳統MMC環流抑制策略

傳統的MMC環流抑制策略是通過二倍頻負序旋轉坐標變換將MMC的三相二倍頻環流進行3/2變換轉換成兩個直流量并加以抑制。如圖2所示的是基于二倍頻負序變換的環流抑制策略控制框圖。首先，根據MMC環流的定義，將上橋臂電流i和下橋臂電流i進行加和再除以2得到三相環流i，再對環流i進行二倍頻負序T/dq矩陣變換得到二倍頻環流在水平坐標系軸上的分量i、i，為了達到抑制這兩個分量的目的，將水平坐標系上的二倍頻環流參考量i、i均賦值為零，將實際量i、i和參考量i、i比較產生的差值信號進行PI比例積分控制器調節。另外，為了解除水平坐標系軸上的耦合關系，引入前饋分量2 wL進行解耦，得到環流壓降在dq軸上的參考量U、U。最后對U、U進行二倍頻負序T/acb矩陣反變換得到橋臂電壓參考波修正量U。

這種環流抑制策略的確能夠有效地對MMC環流的二倍頻分量進行抑制，但其無法抑制環流的其他偶次分量。并且僅僅適用于三相系統，在單相或者更多相的系統上無法使用。

3 基于比例-積分（PR）控制的MMC環流抑制策略

比例-諧振（PR）控制的原理是PR控制器通過產生一個給定信號的極點，使得該信號的增益趨于無窮大，從而實現對該信號的無靜差追蹤。PR控制器由比例環節和諧振環節兩部分組成，其傳遞函數可表示為：

基于PR控制器設計的環流抑制策略如圖3所示：

圖3 基于比例-諧振（PR）控制器的環流抑制策略

其中，

在圖3所示的基于PR控制的環流抑制策略中，為了達到抑制環流的目的，我們令環流參考量i為0。環流實際值i與參考值i的誤差信號經過PR控制器調節后得到參考波的修正量Uzj*。由于PR控制環節只在諧振頻率（）處具有很高的增益，而在其它頻率處的增益很小，所以只會抑制諧振頻率處的諧波，而對環流的直流分量并不會造成影響。針對環流中的各次偶次諧波，可以在PR控制環節中并行加入各個頻率的諧振器n，n=2,4,6…，從而實現對環流各偶次分量的抑制。值得一提的是，由于環流各諧波分量隨著頻率的增加幅值逐漸減小，因此對于6次或是6次以上的的諧波其實是可以不予以考慮的。

基于PR控制的環流抑制策略不僅能對環流的二倍頻分量進行抑制，還可以對其他偶次諧波進行抑制。除此之外，這種策略不含有旋轉坐標變換及相間解耦環節，控制電路較為簡化，系統運算量得以減少。最后這種策略不僅僅適用于三相MMC系統，單相或是多相系統也同樣適用。

4 仿真驗證

為了驗證這種基于PR控制的環流抑制策略的有效性，本文在Matlab/Simulink平臺上搭建了三相五電平的MMC模型，具體所用參數見表1所示。

以MMC的a相為例作分析，圖4所示的是未采用環流抑制策略時的a相環流波形，此時其峰峰值達到了8 A左右。圖5則是采用了上節分析的基于PR控制的環流抑制策略后的a相環流波形，其峰峰值從8 A左右被抑制到了1 A以內，抑制效果明顯，證明了基于PR控制的環流抑制策略的有效性。

表1 MMC仿真參數

圖4 未采用環流抑制策略時的a相環流

圖6 未采用環流抑制策略時的a相橋臂電流

未采用環流抑制策略時的a相上、下橋臂電流波形如圖6所示，可以看到在沒有施加環流抑制策略時，橋臂電流會產生明顯的二倍頻畸變，這是環流的二倍頻分量疊加所致。圖7所示的則是施加基于PR控制的環流抑制策略后a相上、下橋臂電流波形，顯而易見的是，由于這種策略對環流的抑制作用，橋臂電流的二倍頻畸變得到修復，其波形更加接近于正弦波。

圖7 采用基于PR控制環流抑制策略后的a相橋臂電流

如圖8、圖9所示的是施加基于PR控制的環流抑制策略前后橋臂電流FFT分析結果。可以看出，在未施加環流抑制策略時，橋臂電流的二倍頻分量達到了近40％；而施加基于PR控制的環流抑制策略后，橋臂電流的二倍頻分量被抑制到了1％左右，幾乎消除了該分量，THD也從38.23％下降到了1.19％，基本無畸變。

圖8 未采用環流抑制策略a相橋臂電流FFT

5 結論

本文分析了一種基于比例-諧振（PR）控制的MMC環流抑制策略，無需繁瑣的坐標變換和相間解耦環節，控制簡單，只需加入諧振環節，就能對環流的各偶次分量加以有效地抑制。當環流抑制后，橋臂電流的二倍頻畸變得到修復更加接近于正弦波，MMC輸出特性顯著提升。

圖9 采用環流抑制策略后a相橋臂電流FFT

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

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

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PR Based MMC Circulating Current Restraining Strategy

Xie Peiwei, Yang Cong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China）

TM72

A

1003-4862（2019）02-041-04

2018-09-12

謝佩韋（1991-），男，助理工程師。研究方向：電力電子技術。E-mail: 2269677562@qq.com