石紹磊，李彬彬，張 毅，徐殿國

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱150001）

模塊化多電平型高壓DC/DC變換器的研究

石紹磊，李彬彬，張 毅，徐殿國

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱150001）

模塊化多電平型（modular multilevel）高壓DC/DC變換器采用模塊化結(jié)構(gòu)，能夠很容易通過子模塊串聯(lián)的方法得到較高的電壓和功率等級，適用于高壓大功率直流變壓場合。該DC/DC變換器采用由兩個模塊化多電平換流器MMC（modular multilevel converter）組成“面對面相連”的結(jié)構(gòu)，其本身具有直流側(cè)故障保護的功能，無需采用直流斷路器進行保護，變壓器的存在可實現(xiàn)了電氣隔離。目前針對此拓撲結(jié)構(gòu)的研究尚處于起步階段，其基本運行方式仍是研究的重點和難點。本文具體描述了模塊化多電平型高壓DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，并且分析了其本身具有直流側(cè)故障保護功能的作用機理。在此基礎(chǔ)上，從調(diào)制策略、電容電壓平衡策略及功率控制策略三方面對控制器進行設(shè)計。最后，通過建立仿真模型和搭建單相結(jié)構(gòu)的實驗平臺，驗證了所提基本運行方式的有效性。

DC/DC；模塊化多電平換流器（MMC）；電容電壓平衡策略

引言

近年來，可再生能源的開發(fā)規(guī)模不斷增加［1］，傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)體系逐漸很難接納，例如風(fēng)能、太陽能等大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電入網(wǎng)，為此必須采用新的電網(wǎng)體系來滿足日益增長的需求。而基于常規(guī)直流及柔性直流的多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)技術(shù)是解決這一問題的有效技術(shù)手段之一［2］。另一方面，由于越來越多的直流輸電系統(tǒng)投入運行，人們迫切希望建立多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)來滿足現(xiàn)實需要［3］。但由于不同類型的直流系統(tǒng)擁有不同的電壓等級，直流系統(tǒng)之間互聯(lián)功能必須要依靠高電壓大功率DC/DC變換器來實現(xiàn)，因此，高壓DC/DC變換器是直流電網(wǎng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵性設(shè)備之一［4］。

直流電網(wǎng)的不斷發(fā)展需要在直流保護和直流電壓變壓器領(lǐng)域中有著巨大的技術(shù)飛躍［5］。對于大功率DC/DC變換器，文獻［6］提出了一種晶閘管LC諧振型DC/DC變換器，該變換器由低壓側(cè)、高壓側(cè)兩部分組成，通過交流變壓器相連，通過控制各個橋臂晶閘管的開通改變橋臂結(jié)構(gòu)，通過諧振實現(xiàn)電壓變換的功能。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的升壓比；可實現(xiàn)軟開關(guān)結(jié)構(gòu)，開關(guān)損耗較低且輸入輸出側(cè)能實現(xiàn)電氣隔離。但該結(jié)構(gòu)諧振回路LC參數(shù)設(shè)計困難，濾波器設(shè)計困難；無法進行故障隔離，需要配備直流變壓器。文獻［7］提出了一種基于模塊式結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器,該變換器含有上下兩個橋臂，利用不同頻率下的功率傳輸?shù)恼恍栽?，通過構(gòu)建一個二次側(cè)功率環(huán)，從而使模塊化多電平變換器MMC（modular multilevel converter）工作在DC/ DC模式下；文獻［8］則通過在上下橋臂間加入變壓器來進行能量的交換，從而提高其諧波性能；然而以上兩種結(jié)構(gòu)為非隔離型DC/DC變換器，無法實現(xiàn)輸入輸出兩側(cè)的電氣隔離，且輸入輸出側(cè)需要體積笨重的濾波器，并且由于環(huán)流的存在會加大變換器的損耗?，F(xiàn)有的大多數(shù)DC/DC變換器均是低壓小功率的，無法用于高壓大功率場合［9］；另一個影響直流輸電系統(tǒng)的因素是直流側(cè)短路故障的保護，在實際應(yīng)用中，由于技術(shù)的不完善和高成本，高壓大電流直流斷路器仍未有成熟可行的產(chǎn)品［10］。

為了解決以上問題，一種基于模塊化結(jié)構(gòu)的“面對面”相連的DC/DC變換器得到了越來越多的關(guān)注和研究，這種拓撲結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點，例如：能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動、可進行電壓和功率控制、通過變壓器提供了電氣隔離、較高交流頻率減小了變壓器和電容等元器件的體積、直流側(cè)短路問題能夠在很短時間內(nèi)被有效解決［11］。本文首先介紹此種DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上，從基本調(diào)制策略、子模塊電容電壓均衡策略、功率控制策略等方面提出了該拓撲結(jié)構(gòu)的基本運行方式。最后，通過建立仿真模型和搭建實驗平臺，驗證了所提出的基本運行方式的有效性。

1 “面對面”模塊化多電平DC/DC變換器

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為“面對面”相連的模塊化多電平DC/DC變換器的基本結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的“背靠背”相連的電路結(jié)構(gòu)不同，該DC/DC變換器直接在2個MMC之間加入1個交流變壓器，使2個MMC交流側(cè)通過變壓器互聯(lián)在一起，兩側(cè)MMC通過變壓器進行功率的傳輸，因此稱此結(jié)構(gòu)為“面對面”相連的結(jié)構(gòu)。兩側(cè)MMC可以由單相或者三相構(gòu)成，但原、副端MMC的相數(shù)必須一致。由于此種結(jié)構(gòu)的變換器是依靠中間交流變壓器作為功率轉(zhuǎn)換媒介，并且中間交流媒介的是存在于變換器內(nèi)部，不會對變換器外部的電網(wǎng)造成影響，因此可以適當(dāng)提高中間交流電的頻率，使其超過工頻，從而可以減小交流變壓器的體積和損耗，增大效率，減小成本。

圖1 DC/DC變換器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Generic structure of DC/DC converter

1.2 工作原理及故障管理

“面對面”相連的模塊化多電平DC/DC變換器可以利用正弦波經(jīng)由交流變壓器對兩側(cè)的功率進行交換。因此，可以通過改變兩側(cè)MMC的調(diào)制比及變壓器的變比從而改變兩側(cè)直流電壓的變比。此方法的優(yōu)點是可以根據(jù)傳統(tǒng)的MMC控制策略對控制器進行設(shè)計，控制目標(biāo)簡單、可操作性強。

對于子模塊的選擇問題，子模塊的參數(shù)和數(shù)量將直接決定MMC的電壓等級和功率等級。MMC的子模塊結(jié)構(gòu)分為以下4種類型：半橋子模塊結(jié)構(gòu)［12,13］、全橋子模塊結(jié)構(gòu)、鉗位雙子模塊結(jié)構(gòu)CDSM（clamp double submodule）［14］、改進子模塊結(jié)構(gòu)，其中改進子模塊結(jié)構(gòu)的典型代表為串聯(lián)雙子模塊結(jié)構(gòu)SDSM（series-connected double submodule）［15］。由于“面對面”相連的DC/DC變換器本身具有直流側(cè)短路保護功能，因此本文選用的子模塊結(jié)構(gòu)為半橋子模塊結(jié)構(gòu)，若要使交流側(cè)電壓相對于直流電壓起到升壓作用，則可以選用全橋子模塊結(jié)構(gòu)。

選用半橋子模塊時，此結(jié)構(gòu)發(fā)生交流側(cè)短路故障和發(fā)生直流側(cè)短路故障，分別如圖2、圖3所示。對于“面對面相連”的模塊化多電平型高壓DC/DC變換器，從圖2中可以看出，當(dāng)交流側(cè)出現(xiàn)故障時，MMC會將所有子模塊閉鎖，使得短路電流只能經(jīng)由半橋子模塊的上管IGBT的二極管和子模塊電容構(gòu)成導(dǎo)通回路。若在短路通路中子模塊電容電壓之和大于直流母線電壓，則在導(dǎo)通通路中的短路電流將立刻降為0。由圖3可見，當(dāng)副端MMC出現(xiàn)直流側(cè)短路故障時，通過將兩側(cè)MMC的子模塊全部閉鎖，使得原端MMC在變壓器上不會產(chǎn)生交流輸出，即uac1電壓為0，因而副端變壓器不會有交流電壓產(chǎn)生，使得直流側(cè)短路電流迅速下降。

圖2 AC故障Fig.2 AC Fault

圖3 DC故障Fig.3 DC Fault

2 調(diào)制策略

由于載波移相調(diào)制技術(shù)PSC-PWM（phase-shifted carried pulse width modulation）不僅能夠使MMC中每個子模塊承載的功率得到均分，還能夠使輸出電壓波形具有較低的諧波含量，這使得該技術(shù)在MMC中得到了廣泛使用，因此本文選擇PSC-PWM。

對于兩側(cè)MMC，每個橋臂存在N個子模塊，每個子模塊對應(yīng)的三角載波依次錯開 2π/N相角，每個子模塊采用相同的正弦調(diào)制波與相應(yīng)的載波相比較，從而對應(yīng)每個子模塊得到一個SPWM信號，將得到的調(diào)制波信號通過一定的邏輯和加入必要的死區(qū)時間后用以驅(qū)動每個子模塊的2個IGBT，從而確定對每個子模塊電容進行投入或切除。

不考慮運行前的預(yù)充電過程，即假設(shè)變換器在運行前已經(jīng)對各子模塊電容進行了預(yù)充電，根據(jù)MMC運行的基本原理，每個子模塊電容電壓相同，其值為Udc/N，按照MMC最低輸出電壓諧波載波移相調(diào)制法，上下橋臂的三角載波移相角為θ［16］。

3 控制器設(shè)計

3.1 電容電壓平衡控制

本文的兩側(cè)MMC采用一種分層的電容電壓控制策略，使得各級控制相互獨立，并且不會造成互相影響。該控制策略由3部分組成：相平衡控制、橋臂平衡控制以及子模塊平衡控制，其控制策略如圖4所示。

圖4 分層電容電壓均衡策略Fig.4 Hierarchical voltage balancing strategy

相平衡控制主要用來控制每一相電路電壓與直流側(cè)電壓保持平衡，其控制策略如圖5所示。通過將這一相子模塊電容電壓平均值與給定Udc/N作比較，將得到的差值經(jīng)過PI控制器得到環(huán)流的直流分量，并做為下一步給定進行控制。

圖5 相平衡控制Fig.5 Phase balancing control

橋臂平衡控制主要是保證上下橋臂間能量的平衡，其控制策略如圖6所示。上下橋臂的電容電壓平均值進行比較，經(jīng)過PI控制器后與該相電壓參考信號相乘，得到環(huán)流的直流分量，其與相平衡控制得到的環(huán)流的直流分量加和并與實際的環(huán)流進行比較，得到的值再經(jīng)過PI控制器后分別加到上下橋臂電壓的調(diào)制波中。

圖6 橋臂平衡控制Fig.6 Arm balancing control

子模塊平衡控制主要是為了保證各子模塊電容電壓的平衡，其控制策略如圖7所示。通過將橋臂上每個子模塊的電容電壓與橋臂電容電壓平均值相比較，經(jīng)比例控制器作用后乘以該橋臂電流的方向，作為一部分的調(diào)制量加到調(diào)制波中，使得同一橋臂的各子模塊電容電壓彼此跟隨。

圖7 子模塊平衡控制Fig.7 Sub-module（SM）balancing control

3.2 功率控制

本設(shè)計采用瞬態(tài)電流控制法來對原、副端由單相結(jié)構(gòu)的MMC組成的DC/DC變換器傳輸功率進行控制。這種控制方法通過在副端對變壓器漏感電流進行控制，使其相位跟隨副端相電壓，從而使副端功率因數(shù)接近1，達到有功功率傳遞的最大化。這種控制方法實現(xiàn)簡單且控制效果良好，同時對元器件開關(guān)頻率的要求不高。該方法控制策略如圖8所示，由于直流電壓是通過直流電源給定的，此直流電壓很穩(wěn)定，因此直接對二次側(cè)相電流進行控制，通過將二次側(cè)相電流給定與相電壓參考相乘并與二次側(cè)相電流進行比較，得到的結(jié)果經(jīng)過PR控制器得到調(diào)制量分別加到上下橋臂對應(yīng)調(diào)制波中，從而實現(xiàn)對二次側(cè)瞬態(tài)電流的控制。

圖8 瞬態(tài)電流控制Fig.8 Transient current control

4 仿真及實驗驗證

4.1 仿真分析

搭建了模塊化多電平型高壓DC/DC變換器的單相仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。模型的原、副MMC的直流側(cè)直接與直流電源相連，使直流側(cè)的電壓恒定，模型中每相含有2個橋臂，每個橋臂由3個子模塊和一個緩沖電感構(gòu)成，MMC各子模塊采用半橋結(jié)構(gòu)。仿真模型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真研究主要參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖9 仿真模型結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of simulation model

圖10為原、副端子模塊電容電壓波形。由圖可以看到，電壓波動為7 V左右，波動率為7%。圖11為直流電壓300 V、功率1 500 W的交流變壓器側(cè)穩(wěn)態(tài)電壓、電流波形。由于采用了最低輸出電壓諧波的調(diào)制策略，在每個橋臂子模塊數(shù)為3時，交流側(cè)的電壓階梯數(shù)為7，交流側(cè)電壓頻率為100 Hz。原端相電流與相電壓相位相同、副端相電流與相電壓相位相反，這說明了功率由原端通過變壓器傳遞到副端，改變原、副端電壓與電流的相位關(guān)系即可實現(xiàn)功率的雙向流動。

圖10 原、副端子模塊電容電壓Fig.10 Primary and secondary submodule capacitor voltages

圖11 原、副端相電壓、相電流Fig.11 Primary and secondary phase voltages and phase currents

4.2 實驗驗證

搭建了一個小功率的實驗樣機平臺，其總體結(jié)構(gòu)示意如圖12所示。直流電源為原端MMC供電，副端MMC將能量回饋給直流電源，實驗中變壓器原、副端變比為1:1，因此為了簡化實驗，用一個電感來等效變壓器簡化后的漏感。實驗樣機平臺的實物如圖13所示，其中每一側(cè)MMC由主控制電路、子模塊電路、散熱器構(gòu)成，主控制電路與子模塊電路之間通過光纖進行通信。每一相上下橋臂分置散熱器兩側(cè)，MMC每個橋臂最多可安裝8個子模塊，該實驗每個橋臂2個子模塊，每個子模塊上的IGBT在散熱器上固定，兩片散熱器中間為主控制電路，兩片散熱器依靠固定板進行連接固定。右側(cè)為原端MMC，左側(cè)為副端MMC，中間為橋臂電感和變壓器等效的漏感，實驗樣機的主要物理參數(shù)如表2所示。

圖12 實驗樣機結(jié)構(gòu)示意Fig.12 Sketch map of prototype structure

圖13 實驗樣機實物Fig.13 Experimental prototype

表2 實驗研究主要參數(shù)Tab.2 Experiment parameters

圖14為原、副端子模塊電容電壓波形。

由圖可見，每一側(cè)上下橋臂子模塊電容電壓是對稱互補的，完成了橋臂間能量平衡的目標(biāo)；每一側(cè)同一橋臂的子模塊電容電壓之間是相互跟隨的，且電壓波動為10 V、波動率為6.67%。圖15為直流電壓300 V、功率1 000 W的交流變壓器側(cè)穩(wěn)態(tài)電壓、電流波形。由于該實驗兩側(cè)MMC的直流電壓是被直流電源所鉗位，因此通過觀察交流側(cè)的相電壓和相電流的波形來判斷功率控制的有效性。

圖14 原、副端子模塊電容電壓Fig.14 Primary and secondary submodule capacitor voltage

圖15 原、副端相電壓、相電流波形Fig.15 Primary and secondary phase voltage and phase current waveforms

由于設(shè)計功率為1 000 W，通過觀察波形可以看到一次側(cè)MMC交流相電壓幅值約為150 V、交流相電流幅值為12.5 A，經(jīng)計算功率為937.5 W，近似于1 000 W。

5 結(jié)語

本文研究了模塊化多電平高壓DC/DC變換器的基本工作方式和控制策略，從調(diào)制策略、電容電壓平衡策略及功率控制策略3方面對控制器進行設(shè)計，提出了此種結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器的基本工作模式。仿真與實驗結(jié)果驗證了控制策略的可行性。

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Research on Modular Multilevel High Voltage DC/DC Converter

SHI Shaolei,LI Binbin,ZHANG Yi,XU Dianguo
（School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

Due to the modular configuration,modular multilevel high voltage DC/DC converter can obtain high voltage level and high power level by connecting submodules in series.The converter is suitable for high voltage and high power DC transformer applications.The DC/DC converter is a front to front structure constituting of two modular multilevel converters（MMC）.Because of its inherent DC fault isolation capacity,the DC/DC converter does not need a DC circuit breaker.Besides,the transformer between the two MMCs can support electric isolation.At present,studies based on the DC/DC topology structure are still at an initial stage.The basic operation mode has become the difficulty and the key point of the research.This paper detailedly describes the topology structure of modular multilevel high voltage DC/DC converter,and analyzes of the working principle of its inherent DC fault isolation capacity.Based on the topology,develops a controller according to modulation strategies,submodule capacitor voltages balancing methods and power control strategies.Finally,a single phase DC/DC converter simulation model has been established in Simulink of Matlab.An experiment of prototype has been designed and built to verify the validity of the basic operation mode and the power control method of the DC/DC converter.

DC/DC;modular multilevel converter（MMC）;capacitor voltage balancing strategies

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.110

：TM 46

：A

2015-08-01

國家自然科學(xué)基金重點項目（51237002）；國家自然科學(xué)基金面上項目（51477034）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51237002）and（51477034）