羅永捷，李子欣，李耀華，王 平

（1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039）

一種模塊化多電平換流器分布式均壓控制策略

羅永捷1,2，李子欣1，李耀華1，王 平1

（1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039）

應(yīng)用于柔性高壓直流輸電領(lǐng)域的模塊化多電平換流器，其橋臂級(jí)聯(lián)功率模塊數(shù)量通常多達(dá)數(shù)百個(gè)；而現(xiàn)有的閥控系統(tǒng)電容排序均壓策略存在運(yùn)算量大、硬件實(shí)現(xiàn)困難等問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，首先提出了一種分布式模塊電壓均衡控制策略；然后通過(guò)將橋臂中的功率模塊分組，把橋臂電容電壓平均值作為參考值。分組模塊電壓平均值作為反饋值，對(duì)各分組功率模塊導(dǎo)通數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，在保證電壓均衡效果良好的前提下，有效降低控制系統(tǒng)處理器的運(yùn)算量。該策略中所有功率模塊均能實(shí)現(xiàn)故障冗余，而不會(huì)降低換流器整體冗余能力。最后在PSCAD/EMTDC中構(gòu)建HVDC系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了該策略的正確性和有效性。

高壓直流輸電；模塊化多電平換流器（MMC）；均壓算法；分布式控制；冗余模塊

引言

基于電壓源型換流器的柔性高壓直流輸電技術(shù)VSC-HVDC（voltage sourced converter based high voltage direct current）以其在可再生新能源并網(wǎng)、城市直流配電網(wǎng)、交流異步電網(wǎng)互聯(lián)以及孤島供電等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，日益獲得廣泛關(guān)注［1-5］。

德國(guó)學(xué)者Rainer Marquardt于2003年提出了模塊化多電平換流器MMC（modular multilevel con-verter）拓?fù)洌?］。與傳統(tǒng)的兩電平、三電平VSC拓?fù)湎啾?，MMC采用模塊化設(shè)計(jì)、輸出電壓諧波小、功率器件開(kāi)關(guān)頻率低，尤其適用于VSC-HVDC系統(tǒng)。

基于MMC拓?fù)涞倪\(yùn)行原理，功率模塊的電容電壓均衡控制是保證MMC穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有研究對(duì)MMC的模塊電容均壓控制進(jìn)行了廣泛而深入的研究［6-10］。根據(jù)調(diào)制策略的不同，模塊電容均壓控制可分為2類(lèi)：（1）功率模塊增加閉環(huán)均壓控制；（2）調(diào)制策略中增加均壓算法，以電容電壓排序算法為代表。前者需要每一個(gè)功率模塊增加額外的硬件電路和控制算法，這在實(shí)際工程中是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，目前投運(yùn)的MMC-HVDC均采用第2類(lèi)均壓算法。

現(xiàn)有研究主要從降低開(kāi)關(guān)頻率以減少損耗的角度對(duì)均壓策略進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)［6,7］在傳統(tǒng)均壓算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其控制重點(diǎn)在于避免因排序算法導(dǎo)致的同一IGBT不必要的反復(fù)投切現(xiàn)象，從而有效降低了功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。文獻(xiàn)［9］則通過(guò)存儲(chǔ)上一次排序結(jié)果對(duì)當(dāng)前電壓進(jìn)行“雙排序”，當(dāng)投入模塊數(shù)變化時(shí)，盡可能地保持當(dāng)前模塊狀態(tài)不變，從而降低模塊投入切除的頻率，但電容電壓均衡效果較差。

在高壓大容量的HVDC場(chǎng)合中，MMC通常包含大量功率模塊，每個(gè)橋臂由高達(dá)數(shù)百個(gè)功率模塊級(jí)聯(lián)而成。例如中國(guó)南方電網(wǎng)公司在廣東南澳島的全球首個(gè)±160 kV三端柔性直流輸電系統(tǒng)，其MMC換流站每橋臂含有220個(gè)功率模塊；中國(guó)云南電網(wǎng)與廣西電網(wǎng)異步互聯(lián)工程中，MMC換流站每橋臂高達(dá)468個(gè)功率模塊。這種情況下，基于排序算法的均壓調(diào)制策略，因控制系統(tǒng)運(yùn)算量十分巨大，對(duì)控制系統(tǒng)處理器提出了很高的要求。進(jìn)一步提高電壓等級(jí)帶來(lái)的功率模塊數(shù)量增加，使得傳統(tǒng)排序均壓算法難以應(yīng)用，在一定程度上阻礙了MMC在HVDC領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。文獻(xiàn)［6］在傳統(tǒng)排序算法基礎(chǔ)上提出了簡(jiǎn)化算法，將平衡控制的重點(diǎn)放在偏離額定電壓值較多的功率模塊上，并允許電容電壓存在一定的差異；但這種方法仍需對(duì)所有功率模塊排序和均衡控制。

另外，為了提高換流器在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性，MMC每個(gè)橋臂中的功率模塊均有冗余設(shè)置:當(dāng)模塊化多電平變流器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)某些功率模塊故障，但故障模塊的數(shù)量不超過(guò)設(shè)計(jì)要求范圍，則這些功率模塊會(huì)自行旁路，而不會(huì)影響整個(gè)換流器的運(yùn)行或者使系統(tǒng)停機(jī)。廣東南澳±160 kV三端柔性直流輸電工程中，MMC的冗余功率模塊數(shù)量為10%，即每個(gè)橋臂中出現(xiàn)故障的功率模塊數(shù)量只要不超過(guò)橋臂功率模塊總數(shù)量的10%，則出現(xiàn)故障的功率模塊會(huì)自行旁路，而整個(gè)換流器繼續(xù)運(yùn)行。對(duì)于模塊化多電平換流器的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其對(duì)功率模塊的電壓均衡控制算法應(yīng)該保證在故障的功率模塊被旁路的前后均能實(shí)現(xiàn)良好的效果，而不應(yīng)該受模塊故障的影響。文獻(xiàn)［10］對(duì)橋臂功率模塊進(jìn)行分組，模塊組整體進(jìn)行投切，能有效降低排序算法的運(yùn)算量；但當(dāng)某一模塊組內(nèi)部功率模塊發(fā)生故障旁路時(shí)，模塊組電壓將顯著降低，因此這種方法不具備功率模塊冗余能力。文獻(xiàn)［12］分析了應(yīng)用于模塊化多電平換流器的控制器三級(jí)構(gòu)架，能夠減少模塊與控制器之間的光纖連接數(shù)量。

針對(duì)現(xiàn)有均壓排序算法存在的問(wèn)題，本文提出一種具備功率模塊冗余能力的分布式電容電壓均衡控制策略。在分析MMC運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究應(yīng)用于HVDC系統(tǒng)的MMC控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)均壓算法中，對(duì)所有功率模塊進(jìn)行統(tǒng)一排序和均壓控制極大的增加了排序運(yùn)算矩陣的秩，產(chǎn)生了很大的運(yùn)算量。本文提出的分布式均壓策略在功率模塊分組控制系統(tǒng)（valve group control）中進(jìn)行分布式排序和均壓控制，能夠有效降低排序運(yùn)算量，并且具備功率模塊冗余能力。該策略在單相和三相MMC系統(tǒng)中均適用。

1 MMC基本原理

如圖1所示，MMC電路拓?fù)溆?個(gè)橋臂構(gòu)成，每橋臂包括N個(gè)功率模塊（SM）和橋臂電感L；上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元。圖1中uio為交流輸出電壓，o為假想的交流相電壓中點(diǎn)，i=a，b，c；Udc為直流母線(xiàn)電壓。功率模塊由2個(gè)全控型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件和直流電容構(gòu)成，包括3種工作狀態(tài)：輸出+ Uc、0和閉鎖狀態(tài)。K1和K2分別代表晶閘管和旁路開(kāi)關(guān)。

圖1 MMC電路拓?fù)銯ig.1 Topology of MMC

以A相為例，MMC交流輸出電壓uao可表示為

式中：uau和ual分別為上、下橋臂電壓。則橋臂電流iau和ial分別為

式中：ia為A相電流，idc和idiff為直流分量和環(huán)流分量。則上、下橋臂參考電壓uau_ref和ual_ref分別表示為

式中：M為調(diào)制比；ω為工頻角頻率；δ為相位角。

2 MMC電壓均衡控制

2.1 傳統(tǒng)調(diào)制均壓策略

應(yīng)用于高壓大容量場(chǎng)合的MMC換流器通常每個(gè)橋臂由數(shù)百個(gè)功率模塊級(jí)聯(lián)，輸出電壓諧波含量非常小。因此調(diào)制和均壓算法的簡(jiǎn)單性、快速性、能否占用較少的硬件資源成為更受關(guān)注的因素。相對(duì)于SVPWM、SHE等調(diào)制方法，最近電平逼近NLM（nearest level modulation）能夠有效降低開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率且易于實(shí)現(xiàn)，因此在現(xiàn)有的MMC-HVDC工程中，通常采用NLM調(diào)制策略。電容電壓均衡控制則采用排序算法，其基本原理為：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有功率模塊電容電壓以及橋臂電流，同時(shí)對(duì)橋臂模塊電壓進(jìn)行排序，再根據(jù)橋臂電流的方向選擇投入/切除的模塊；當(dāng)電流為正時(shí)，選擇電壓最低的模塊投入，使電容充電，當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，選擇電壓最高的模塊投入，使電容放電，從而實(shí)現(xiàn)電容電壓均衡。以外環(huán)控制直流電壓為例，其閉環(huán)控制框圖如圖2所示。

圖2 MMC閉環(huán)控制框圖Fig.2 Closed loop control block diagram of MMC

在實(shí)際HVDC工程中MMC控制系統(tǒng)一般包括2部分：（1）換流器控制保護(hù)系統(tǒng)CCP（converter control protection），負(fù)責(zé)整個(gè)換流器宏觀(guān)電氣量，包括如交直流電壓、電流，有功、無(wú)功功率等；（2）功率模塊分組控制系統(tǒng)VGC（valve group control），負(fù)責(zé)換流器調(diào)制和功率模塊電容電壓均衡控制。由于MMC模塊數(shù)較多，排序算法會(huì)大大增加VGC處理器的運(yùn)算量，增加硬件實(shí)現(xiàn)的難度。

2.2 分布式均壓控制策略

針對(duì)傳統(tǒng)電壓均衡策略存在的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的分布式電壓均衡控制策略。將MMC每橋臂N個(gè)功率模塊分為M組，第i個(gè)功率模塊分組對(duì)應(yīng)其分組控制系統(tǒng)VGC_i。每個(gè)VGC_i負(fù)責(zé)該功率模塊分組的電壓均衡控制，根據(jù)橋臂所有功率模塊電容電壓平均值和各自功率模塊分組電容電壓平均值，動(dòng)態(tài)分配每個(gè)功率模塊分組控制系統(tǒng)VGC_i所需導(dǎo)通的功率模塊的數(shù)量。

MMC采用NLM調(diào)制方法，根據(jù)式（3）計(jì)算出A相上下橋臂導(dǎo)通模塊數(shù)Non為

式中，Usm_av為功率模塊電容電壓平均值。同理可求得其他橋臂導(dǎo)通模塊數(shù)。因此，前M-1個(gè)功率模塊分組中第i個(gè)分組的導(dǎo)通模塊數(shù)Non_i為

式中：Narm_on為某一橋臂導(dǎo)通模塊數(shù)；Narm_all為橋臂總模塊數(shù)；Nall_i和Nfault_i分別為第i個(gè)功率模塊分組的總模塊數(shù)和故障模塊數(shù)，i=1,2,…,M-1。

為實(shí)現(xiàn)各模塊分組內(nèi)電容電壓均衡，以橋臂電容電壓平均值為參考值，功率模塊分組電壓平均值為反饋值，閉環(huán)控制輸出值作為各分組導(dǎo)通模塊數(shù)的修正量?？刂瓶驁D如圖3所示，圖中Uc_arm為橋臂電容電壓平均值，Uc_i為第i分組電容電壓平均值。

圖3 分布式均壓控制框圖Fig.3 Distributed voltage balance control scheme

結(jié)合上述分析，第M個(gè)模塊分組導(dǎo)通數(shù)Non_M為

由此實(shí)現(xiàn)所有功率模塊分組導(dǎo)通模塊數(shù)的動(dòng)態(tài)分配。以某單個(gè)橋臂為例，MMC分布式控制系統(tǒng)如圖4所示。該策略能夠?qū)崿F(xiàn)換流器功率模塊電容電壓均衡算法的分布式運(yùn)算，減小控制系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)；此外，在功率模塊出現(xiàn)故障情況下，仍能維持健全模塊的電壓均衡控制，維持安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)不影響整個(gè)換流器可冗余運(yùn)行的功率模塊數(shù)量。

圖4 分布式均壓控制系統(tǒng)示意Fig.4 Sketch map of distributed voltage balance control system

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型及參數(shù)

為驗(yàn)證本文提出的分布式調(diào)制均壓策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了MMC-HVDC系統(tǒng)如圖5所示，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。MMC仿真模型的控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4，其中CCP采用閉環(huán)控制，控制目標(biāo)為直流電壓和有功功率；VGC采用分布式調(diào)制均壓策略，每橋臂包含11個(gè)功率模塊分組控制系統(tǒng)VGC，各自對(duì)應(yīng)40個(gè)功率模塊。仿真系統(tǒng)采用數(shù)字控制，模型參數(shù)如表1所示。

圖5 MMC-HVDC仿真系統(tǒng)Fig.5 Simulation system of MMC-HVDC

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation system

3.2 仿真驗(yàn)證

MMC系統(tǒng)正常運(yùn)行于功率傳輸模式，其中換流站1控制直流母線(xiàn)電壓，換流站2控制有功功率，傳輸有功功率500 MW，無(wú)功功率250 Mvar。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。以換流站1為例，有功功率和直流母線(xiàn)電壓如圖6（a）所示。換流站1向交流側(cè)輸出有功功率486 MW，吸收無(wú)功功率243 Mvar。此時(shí)換流站2向交流側(cè)吸收有功功率500 MW，HVDC系統(tǒng)損耗14 MW。換流站1的交流側(cè)電流峰值約為1 200 A，A相橋臂電流和模塊電壓如圖6（b）、圖6（c）所示。以功率模塊分組控制系統(tǒng)VGC_1和VGC_2為例，由圖6（d）和圖6（e）可見(jiàn)，每個(gè)功率模塊分組內(nèi)部電容電壓均衡效果良好，模塊電壓平均值為1 600 V，電壓波動(dòng)范圍約為±70 V；不同功率模塊分組的電容電壓值基本相同。由此可得，橋臂內(nèi)所有功率模塊電容電壓均衡效果良好且各組模塊電壓維持穩(wěn)定一致。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證，在直流電壓/有功功率閉環(huán)控制下，MMC-HVDC系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行并完成功率傳輸，直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在額定值700 kV。在本文提出的分布式調(diào)制均壓策略下，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋臂級(jí)聯(lián)功率模塊的電容電壓均衡穩(wěn)定，為MMC的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了條件。

圖6 仿真實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Waveforms of simulation results

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)采用最近電平逼近調(diào)制策略的MMC均壓控制進(jìn)行改進(jìn)，提出一種分布式電壓均衡調(diào)制策略。該策略能有效降低換流器控制系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)荷，降低了硬件實(shí)現(xiàn)難度；同時(shí)，保證MMC所有冗余模塊均具備故障冗余能力。PSCAD仿真分析表明，本文提出的分布式調(diào)制均壓策略是可靠有效的，在有效降低控制系統(tǒng)處理器運(yùn)算量的前提下能夠滿(mǎn)足HVDC系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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羅永捷

張波

作者簡(jiǎn)介：

張波（1962-），男，通信作者，博士，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail:epbzhang@scut.edu.cn。

丘東元（1972-），女，博士，教授，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail:ep dyqiu@scut.edu.cn。

付堅(jiān)（1991-），男，碩士，研究方向：高壓變換器，E-mail:819057168@qq.com。

A Distributed Control Method for Voltage Balancing in Modular Multilevel Converters

LUO Yongjie1,2,LI Zixin1,LI Yaohua1,WANG Ping1
（1.Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive,Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China）

The number of power modules in a modular multilevel converter（MMC）for HVDC transmission system is typically more than one hundred,and the large number of modules creates a computational challenge for processer of voltage balance controller.To deal with this problem,firstly,a distributed control method for voltage balancing is presented,which can reduce the amount of computation.Then,in this method,all modules in arm are selected in several groups and the average voltages of the arm and the groups are used to build a closed control loop.What is more,the redundancy capability of MMC will not be lower with this strategy.A MMC based HVDC simulation system is developed. Simulation results validate the auuray and the effectiveness of the presented method.

high voltage direct current transmission;modular multilevel converter（MMC）;voltage balance method; distributed control;redundant module

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.77

：TM 46

：A

羅永捷（1988-），男，通信作者，博士研究生，研究方向?yàn)槟K化多電平換流器和柔性直流輸電，E-mail:luoyongjie@ mail.iee.ac.cn。

李子欣（1981-），男，博士，副研究員，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞飨到y(tǒng)，E-mail:lzx@mail.iee.ac.cn。

李耀華（1966-），男，博士，研究員，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)，電機(jī)分析與控制技術(shù)等，E-mail:yhli@mail.iee.ac.cn。

王平（1955-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮樱珽-mail:wangping@mail. iee.ac.cn。

2015-07-10

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題“交直流混合配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”（2015AA050102）

Project Supported by the National High Technology Research and Development Program（863Program）（2015AA050102）