应用于电厂鼓风机变频运行的MMC控制技术研究

宁凌云（国电益阳发电有限公司，湖南益阳413000）

应用于电厂鼓风机变频运行的MMC控制技术研究

宁凌云
（国电益阳发电有限公司，湖南益阳413000）

鼓风机是发电厂锅炉的重要辅助设备，采用高压变频器对鼓风机进行变频调速能够极大提高效率，减小损耗。对一种基于MMC的高压变频器结构进行研究，提出了相应的控制策略，并对提出的控制策略进行了仿真和实验研究，仿真和实验结果验证了所提出控制策略的正确性和实用性。

高压变频；鼓风机；模块化多电平

1　引言

火电厂中锅炉是非常重要的设备，为了使锅炉正常燃烧，鼓风机起到了非常重要的辅助作用。通常情况下，火电厂的厂用电率达到8%－10%左右，而其中的风机耗电量达到30%左右，可见，提高风机的利用效率，降低损耗会对电厂的节能起到重要作用［1］。传统方法是通过调节挡板来控制风量，由于电机的输出功率保持不变，这种调节方法必然造成风机的效率偏低，很大一部分能量会被浪费，造成风机发热严重，并且还会对风机、挡板和风道产生磨损等。随着变频调速技术的发展，大功率的高压变频技术得到了广泛应用。通过对电厂鼓风机改造，采用高压变频设备调节鼓风机转速，实时调节风量的大小，能够极大降低设备的损耗，也使得设备的检修成本大大降低，因此，对电厂鼓风机进行改造极有必要。

在我国，随着经济的发展，高压变频器从2004年以来，每年均有超过40%的增长率，由此可见，我国市场对高压变频器的需求量非常大。目前，高压变频器结构主要是采用移相变压器与后级多个整流逆变子单元构成，前级移相变压器的使用导致高压变频器体积庞大，成本也较高。因此，对于高压变频器结构的改造仍需进一步研究。基于模块化多电平（MMC）结构的变流器是目前研究的热点之一，由于其结构新颖，高度模块化，电平数拓展方便，输出性能优异等优点，在直流输电领域和电气节能领域均得到了广泛应用［2－5］。

本文对基于MMC的高压变频器的结构及其控制策略进行研究。其采用前级整流结合后级逆变的两级结构，并且前后级均采用MMC结构。其与传统高压变频器相比，省略了前级的移相变压器，能够有效缩减变频器体积，并且变频器整流侧能够实现四象限运行，输出谐波小，功率因数高，后级能够实现对电机的平滑调速。本文分别对变频器前级和后级的控制策略进行研究，并搭建仿真实验平台对整个系统进行分析和验证。

2　MMC型高压变频器工作原理

基于MMC的高压变频器结构如图1所示，其分别由交流侧系统、整流器MMC1、逆变器MMC2和鼓风机构成。整流器和逆变器均采用MMC结构，构成背靠背系统，MMC采用子模块级联方式，具有高度模块化特点，非常易于拓展电平数，满足各种高压变频电压等级的要求。整流侧和逆变侧可以采用完全相同的子模块设计，对于处理系统故障和子模块故障及更换提供了很大的便利。相比于传统级联型结构，省去了前级体积庞大的移相变压器，能够极大缩小变频器体积和成本，并且具有易于实现四象限运行，功率因数高等特点，具有很好的工程应用价值。

图1　基于MMC的高压变频器基本结构

图2　模块化多电平换流器（MMC）基本结构

其中，三相MMC的拓扑基本结构如图2所示［6－7］，其中isa、isb和isc为MMC三相输出电流，usa、usb和usc为MMC交流侧输出电压，ipa、ipb和ipc表示上桥臂电流，ina、inb和inc表示下桥臂电流，upa、upb和upc表示三相上桥臂输出电压，una、unb和unc表示三相下桥臂输出电压，Udc表示直流侧正负极母线电压，idc表示直流侧电流，L为桥臂电抗器，R为桥臂等效电阻，O点表示系统中性点。桥臂上子模块为半H桥结构，能够输出两种电平。

3　控制策略

3.1整流侧MMC1控制策略

整流侧MMC1为高压变频器的前级部分，主要作用是为了产生一个稳定的直流侧电压，为后级逆变器提供直流电压支撑。整流侧MMC1能够实现在PQ平面上四个象限独立控制有功功率和无功功率，并且当电平数达到一定水平时，MMC输出谐波畸变率很小，不仅不会对所连接的交流系统造成不良影响，还能够在必要时提供一定的无功补偿。为了实现以上功能，设计采用dq坐标系下有功和无功解耦控制策略对整流侧MMC1进行控制。

根据三相MMC等效模型，由基尔霍夫定律可以得到（x＝a，b，c）：

其中：uex＝（unx－upx）／2，将uex定义为内部电动势，即相当于逆变器输出电压经过桥臂电抗器之后的电压。由式（1）可知，通过控制内部电动势uex，能够实现对MMC交流侧输出电压和电流的控制。将式（1）变换到dq坐标系下，可得系统对应两相dq同步旋转坐标系下的低频动态数学模型。

通过（2）式得到MMC电流内环控制策略，另外，需要电压外环提供有功和无功指令电流。整流侧MMC1需要稳定直流侧电压，电压外环通过采样直流侧电压与给定值做差后经过PI调节器得到有功电流给定值isdref。无功电流给定值isqref通过无功功率计算得到。然后经过电流内环控制后得到MMC1控制信号。总体控制框图如下图3所示。

图3　整流侧MMC1控制框图

3.2逆变侧MMC2控制策略

逆变侧直接连接鼓风机。为了控制鼓风机转速，逆变侧设计采用速度外环电流内环的矢量控制策略。矢量控制的基本表达式如下：

其中：ism为定子电流励磁分量，ist为定子电流转矩分量，ψr为转子磁链，Lm为励磁电感，Tr＝Lr／Rr为转子时间常数，p为微分算子，np为异步电机极对数，ω1为转子磁通旋转角速度，ω为旋转角速度。由公式（3）、（4）和（5）可知，矢量控制中定子电流为被控量，定子电流被分解为励磁分量和转矩分量，其中转子磁链ψr仅受励磁电流分量ism影响，当励磁电流分量ism为定值时，转子磁链ψr为常数。此时，电磁转矩Te与ist完全成正比关系，无时间滞后。因此，矢量控制策略实现了异步电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦控制，具有较好的转矩控制特性。另外，通过检测转差频率确定转子磁通的位置，通过式（5）计算转差频率ωs，与旋转角速度ω相加，作为转子磁通旋转角速度ω1的估算值。因此，可以得到基于MMC的高压变频器逆变侧控制框图如图4所示。

图4　整流侧MMC2控制框图

由以上控制框图可知，通过检测电机实际转速与给定转速相比较，经过转速PI调节器得到电磁转矩给定值Te*。由电磁转矩给定值Te*和转子磁通给定值ψr*计算得到定子励磁电流分量和转矩电流分量给定值，经过内环电流PI调节器控制，得到逆变器输出电压参考值uea、ueb和uec，结合逆变侧MMC2电压平衡控制和桥臂环流控制［8］，最终经过调制策略得到MMC2上子模块开关信号。电压平衡控制和环流控制方法与整流侧MMC1相同。

4　仿真分析

为验证本文提出的高压变频器结构及其控制方法的有效性，在PSIM9.0仿真环境下，搭建了如图1所示的三相五电平高压变频器仿真模型，具体仿真参数如表1所示。

表1　仿真参数

整流侧和逆变侧采用相同的结构，桥臂模块数均为4个，直流侧电压为1120V，整流侧连接交流电网，逆变侧直接拖动鼓风机，采用异步电机模拟实际中的鼓风机。采用本文提出的控制策略分别进行控制，仿真过程为：首先整流侧控制投入，使直流侧电压达到稳定状态，再使逆变侧控制投入，对电机进行调速控制。具体仿真结果如下。

图5为整流侧MMC1仿真波形。MMC1的控制目标在于直流侧电压稳定和交流侧输出波形质量好。由图5（a）可以看出，直流侧电压基本恒定，电压上下波动幅度不超过10V。由图5（b）可以看出，交流侧输出电流正弦，畸变率低，具有很好的输出特性，并且当无功指令变化时，能够输出无功电流，而对系统不会产生影响，因此，在一定情况下，还能够起到静止无功补偿器的作用。另外，由图5（c）可知，MMC1桥臂上的子模块电容电压能够保持稳定，波动幅度在允许范围内。

图5　高压变频器整流侧MMC1仿真波形

图6为高压变频器逆变侧MMC2仿真波形。逆变侧MMC2主要的功能是实现异步电机的平滑调速。为了验证采用控制策略的效果，在MMC2子模块预充电完成后，使异步电机的转速由零开始往上调节，逐渐提升到额定转速。由图6（a）异步电机的实际转速与给定转速的仿真结果可以看出，实际转速能够快速跟踪给定转速，能够很好地实现异步电机的平滑调速。图6（b）为MMC2交流侧电流波形，随着转速的上升，电流逐渐增大，输出电流为正弦波形，畸变率低，具有很好的输出特性。图6（c）为MMC2桥臂子模块电容电压波形，由于电机所带负载为流体类负载，在异步电机调速过程中，桥臂子模块电容电压也不会产生过大的波动，具有较好的稳定效果。

图6　高压变频器逆变侧MMC2仿真波形

5　实验验证

为验证本文理论分析及控制策略的效果，本文以图1所示的主电路为基础，搭建三相低压MMC样机进行研究，如图7所示。为简化整个系统的设计，整流端由接有交流调压器的三相不可控整流桥替代，主要验证逆变侧MMC驱动流体类负载的运行特性。直流侧电压为600V，模块电容电压设定为300V。控制系统采用文献［9］中的DSP和FPGA主从结构，控制频率为10kHz，载波频率为5kHz，其余参数见表2。鼓风机额定功率为6kW，额定频率为50Hz，额定转速为1480r／min，极对数为2，采用星型接线方式。

图7　MMC低压实验平台

图8为MMC驱动异步电机启动过程的记录波形。图8（a）为启动过程中风机的转速变化波形，可以看出风机转速上升过程较为平滑，最终达到了额定转速；图8（b）为MMC变频启动过程的输出电流波形，可见，随着异步电机转速的增加，输出驱动电流逐渐增大，且输出电流质量畸变率变低；图8（c）为启动过程中MMC上桥臂模块电容电压波形，明显可以看出，子模块电容电压的波动在5V以内，且启动时低频段的电压波动相对于额定频率时的波动更低，说明在合适的控制下，MMC驱动风机等流体类负载不会出现电压越限的情况。

表2　仿真参数

图8　低压变频驱动风机实验波形

6　结束语

本文通过研究基于MMC的高压变频器，得到以下结论：采用前级整流结合后级逆变的两级结构，与传统高压变频器相比，不需要移相变压器，能够有效缩减变频器体积，并且具有四象限运行能力和输出谐波小、功率因数高、电机平滑调速等优点。本文分别对变频器前级和后级的控制策略进行研究设计，并对整个系统进行了仿真分析和实验验证，结果表明基于MMC的高压变频器具有很好的性能，随着数字处理技术的进一步发展，其在发电厂鼓风机变频调速中有望得到更广泛的应用。

［1］高压变频器市场将迎来高增长［EB／OL］.http：／www.china.toocle.com／cbna／item，html，2010－01－21／4968957.

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［9］D Siemaszko.Fast sorting method for balancing capacitor vltages in modular multilevel converters［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2015，30（1）：463－470.

Research on MMC control technology applied to power plant blower frequency conversion operation

NING Ling－yun （State Grid Yiyang Power Electric Generating Company，Yiyang 413000，China）

The blower is an important auxiliary equipment of power plant boiler.The frequency conversion speed regulation of blower is greatly improved by using high voltage inverter，which can greatly improve the efficiency and reduce the loss.The high voltage inverter based on MMC is studied，the corresponding control strategy is put forward，and the proposed control strategy is verified by simulation.The simulation results verify the correctness and practicability of the proposed control strategy.

high voltage frequency conversion；blower；modular multilevel

TM621

A

1005—7277（2016）01—0016—05

宁凌云（1980－），男，湖南益阳人，助理工程师，主要研究方向为高压变频调速与电气节能技术。

2015－10－30