基于重叠电流法的AAMC电容电压均衡策略

汪枫林， 王勤， 瞿亚运(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016)

基于重叠电流法的AAMC电容电压均衡策略

汪枫林， 王勤， 瞿亚运
(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016)

介绍了桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的拓扑结构及其工作原理。相比于传统MMC而言，具有模块数更少，没有环流和能够直流闭锁等优点，同时没有增加开关损耗，故具有良好的发展前景。但AAMC在处理电容电压均衡的问题上相比MMC而言更为困难。采用重叠电流的方法，通过配置桥臂电抗器，改变桥臂导通时间并加以额外的控制策略，最后实现电容电压的均衡。在PSCAD/EMTDC平台上建立了每个桥臂14个模块的AAMC拓扑模型，通过仿真验证了重叠电流法的有效性。

交替导通换流器；电容电压均衡；重叠电流；桥臂电抗器；导通时间

0 引 言

传统模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的相关技术目前已经比较成熟，标准MMC采用半桥子模块级联的形式，方便控制，扩展性好，开关频率低，但是难以应对直流故障，必须通过断开交流测断路器来进行故障清除，系统效率将会降低。如若采用全桥子模块级联的形式，该MMC具有了直流闭锁能力因此可以处理直流故障，但同时大大增加了器件数量和运行损耗。针对以上情况，2010年ALSTOM公司提出了几种结合以上两种拓扑结构特点的混合式换流器[1-2]。其中一种称为桥臂交替导通换流器(Alternated Arm Multilevel Converter，简称AAMC)。该拓扑主要优势有两个：一是节约了子模块数，成本得到降低；二是具有处理直流侧故障的能力[3-4]。因此该拓扑具有良好的应用前景。但维持运行过程中子模块电容电压的平衡变得更为困难。

本文分析了AAMC拓扑的运行原理，得到阀侧交流电压幅值和直流电压必须满足固定比例关系的结论。为消除该约束，使得AAMC能运行在更大范围，本文采用了一种重叠电流的控制方法[5]，通过配置桥臂电抗器，延长桥臂的工作时间，以完成子模块电容电压的平衡。最后在PSCAD/EMTDC中进行了仿真验证。

1 AAMC拓扑结构和工作原理

1.1 结构介绍

图1 桥臂交替导通换流器基本拓扑

AAMC基本拓扑结构如图1所示。usa、usb、usc为交流网侧电压，Lsa、Lsb、Lsc为换流器出口电抗，vsa、vsb、vsc为交流阀侧电压，Cp和Cn为直流侧分裂电容。值得说明的是，该拓扑有两种工作模式，整流模式和逆变模式，在原理上是完全一样的，仅仅是电压电流正方向相反。故为了方便说明，本文均以整流模式为例进行分析。AAMC有两个关键部分，由绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)串联组成的桥臂导通开关(Director Switch，DS)和由全桥子模块级联而成的整形电路(Wave Shaping Circuit，WSC)。其中DS有多个IGBT串联构成。SM1，SM2，…，SMn为桥臂子模块，其内部结构为由4个IGBT构成的全桥电路，C为电容，额定电压Uc。

1.2 工作原理

正常运行的情况下，桥臂子模块有三种工作状态，具体情况如表1所示，“1”表示开通，“0”表示关断。

表1 桥臂子模块工作状态

桥臂导通开关工作状态如图2所示，每相上下桥臂的开关各自导通半个周期，期间通过合理控制相应桥臂子模块的投切个数，可以使得桥臂产生一组多电平阶梯波ujk来逼近正弦波，当ujk满足关系式:

(1)

图2 开关状态

直流侧可以获得稳定的直流电压，即可实现整流的目的[6]。

2 能量分析

假设所有器件均为理想状态，以A相为例，有:

va(t)=Umsin(ωt)

(2)

ia(t)=Imsin(ωt-φ)

(3)

(4)

(5)

其中va(t)、ia(t)为阀侧相电压瞬时值、相电流瞬时值，Um、Im为相电压幅值、相电流幅值，uap(t)、uan(t)为A相上、下桥臂整形电路两端电压。

(6)

iap(t)=ia(t)

(7)

整形电路的瞬时功率为：

Pap(t)=uap(t)iap(t)=

(8)

一个工频周期内流经A相上桥臂整形电路的能量为：

(9)

3 重叠电流法

桥臂子模块电容电压是否均衡需要同时满足内部能量均衡和整体对外能量平衡。其中，内部能量均衡可以沿用传统MMC结构所使用的电压排序法。在解决对外能量平衡的问题上，本文采用了一种重叠电流的方法，其思路为在桥臂上配置电抗器，增加每个桥臂工作的时间，在这段时间内加以控制使得每个周期内桥臂和外界能量交换为零。

以A相为例，拓扑结构如图3所示。其中Lap和Lan为桥臂电抗器。此时桥臂开关的导通开关状态如图4所示。可以看出存在ts的时间，A相上下桥臂是同时开通的，这段时间内拓扑的工作模式类似于传统MMC拓扑，因此为了抑制环流，Lap和Lan是不可省略的[7]。为了避免ts内有电流流过出口电抗Lsa进而影响到网侧交流电流波形，可适当增加Lsa的电感值。ts内相应桥臂的工作模式我们称为重叠角模式。

图3 配置桥臂电抗器的拓扑结构

图4 重叠电流法下的A相桥臂导通开关状态

在电压调制方面，AAMC可以沿用传统MMC的电压调制策略。现在主流的调制方法有两个方向：脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)[8-9]和最近电平逼近(Nearest Level Control，NLC)[10-11]。前者波形质量好但随着电平数增多控制算法复杂度将会变大，后者随着电平数增多波形质量会提高且控制算法复杂度不变。本文选择了更为合适的NLC调制法。

4 仿真验证

在PSCAD/EMTDC平台搭建了14模块的AAMC仿真模型，系统基本参数为网侧交流电压幅值为22 kV，交流网侧电压频率为50 Hz，直流输电额定电压±20 kV，额定功率20 MW，子模块电容值2 000 μF，子模块电容初始电压2 kV，直流侧分裂电容2 000 μF，出口电抗0.05 H，桥臂电抗0.005 H。系统级控制采用了传统的基于PQ分解法的内环电流控制器，外环由直流电压环和无功功率环控制。

4.1 电网电压波动情况下的仿真

图5(a)、图5(b)、图5(d)可以看出，在网侧交流电压波动的情况下，桥臂子模块电容电压均可以稳定在期望值附近，并且波动很小(低于5%)，桥臂能量趋于平衡。图5(c)、图5(e)、图5(f)中可以看出，在该控制方法下，网侧电流和直流测电压均没有受到太大影响，波形质量在可接受范围之内。

图5 电网电压波动情况下的仿真

图6 功率指令变化下的仿真

4.2 功率指令变化下的仿真

在1 s时有功功率由1 pu(20 MW)降至0.5 pu(10 MW)。仿真结果如图6所示。其中图6(a)给出了桥臂子模块电容电压变化趋势，图6(b)和图6(c)分别给出0.8 s至0.86 s内和1.6 s至1.66 s内子模块电容电压值的波形变化情况，图6(d)和图6(e)分别给出对应时间内的网侧交流电流波形。图6(f)给出了直流电压波形。

图6(a)、图6(b)、图6(d)可以看出，在有功功率指令变化的情况下，桥臂子模块电容电压同样可以稳定在期望值附近，桥臂能量趋于平衡。图6(c)、图6(e)、图6(f)中可以看出，在该控制方法下，网侧电流和直流测电压均没有受到太大影响，波形质量在可接受范围之内。

5 结束语

从AAMC的结构特点出发，结合其运行机理，指出在能量平衡问题上所存在的难点。本文采用了重叠电流的控制方法，适量增加各桥臂的工作时间并加以控制，实现桥臂与外界能量交换为零，其对直流电压和网侧交流电流带来的负面影响，通过合理的控制策略和加大出口电抗电感值，可以被降低到可接受范围内。配合传统MMC的电压排序法，最终实现桥臂内部电容电压均衡。文章最后通过仿真验证了该方法的有效性。

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AAMC Capacitor Voltage Balancing Strategy Base on Overlap Current

WANG Feng-lin，WANG Qin，QU Ya-yun
(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

This paper describes the topological structure and working principle of the alternate-arm multilevel converter (AAMC). As compared with conventional MMC, it offers some attractive features such as fewer modules, no loop current, DC blocking capacity and no additional switching loss, so that it has a good prospect for further development. However, in AAMC, it is more difficult to solve the problem of voltage balance among capacitors. Voltage balancing is finally realized in the overlap current method by using bridge arm inductors to change the conducting time of the arms and adopting an additional control strategy. An AAMC topological model with 14 modules in each arm is established on the PSCAD/EMTDC platform, and simulation results verify the effectiveness of the overlap current approach.

alternate-arm multilevel converter; capacitor voltage balance; overlap current; bridge arm inductor; conducting time

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.018

TM761

A

1000-3886(2015)05-0056-04

汪枫林(1990-)，男，江苏靖江人，硕士生，主要研究领域为柔性直流输电系统。 王勤(1967-)，男，江苏江阴人，教授，主要研究领域为多输入变换器电力电子变换以及新能源发电系统。

定稿日期: 2014-12-09