多输入单相MMC整流器控制方法的研究

2017-06-05丘东元

电源学报 2017年3期

关键词：交流电源桥臂整流器

覃理，丘东元

（华南理工大学电力学院，广州510641）

多输入单相MMC整流器控制方法的研究

覃理，丘东元

（华南理工大学电力学院，广州510641）

多输入MMC整流器是一种可以连接多个交流电源的新型多端高压变换器。针对多输入单相MMC整流器的拓扑特点，提出了一种开关组独立控制方法。该方法对同一桥臂上各开关组的调制信号进行解耦，并加入电容均压和稳压控制功能，实现了每个功率子模块电容充放电的平衡，同时保证了直流侧电压稳定。最后通过仿真验证了所提控制方法的可行性。

多端输入；MMC；整流器；电容电压平衡

随着人类对电能的需求越来越多，日益严重的环境问题和世界发展低碳经济的趋势，使得风力发电、光伏发电等可再生能源发电技术得到快速发展。在未来可再生能源必将取代传统的化石能源成为主要的发电资源［1-6］。由于可再生能源存在间歇性和分布性的特点［7,8］，使其必须借助多电平变换器才能实现跟电网对接［9-13］。未来电网必然会形成以高性能的多电平变换器为能量交换窗口、分布式可再生能源深度渗透的智能化电力系统。目前多数多电平变换器只能实现单端交流输入或输出，若有多个交流电源同时需要接入电网，只能采用多台单端口多电平变换器。而新型多端口多电平变换器具备多个输入端/输出端［14］，只需要一台多端口多电平变换器就能同时接入多个交流电源，极大地简化了系统结构。

为将多路交流输入电压同时转换为直流电压，文献［16］一种新型N端单相交流输入MMC整流器拓扑，该变换器由2个桥臂和N个交流输入端口构成，实现对多个频率和幅值各异的交流电源整流，非常适用于多交流端口互联的交直流电网系统。而多输入单相MMC整流器所使用的控制方法，其控制思路与9开关双输出逆变器的控制方法类似［16,17］，该控制方法虽然可在电容电压稳定的前提下实现多交流输入整流为直流的功能，但由于不同开关组的控制信号相互耦合，无法对各功率模块上的电容进行独立充放电控制。

本文针对多输入单相MMC整流器的拓扑特点，提出了一种开关组独立控制方法，通过分析该整流器拓扑中各开关组的电量关系，推导出各开关组的调制信号，加入电容电压均压控制和稳压控制策略，实现了各个功率模块电容充放电平衡。最后在Matlab Simulink环境下搭建三端单相输入MMC整流器模型，并验证了所提开关组独立控制策略。

1 多输入单相MMC整流器的结构

N端单相交流输入MMC整流器如图1所示。图中共有2N个开关组，分别为S11～S1（N+1）和S21～S2（N+1），每个开关组由n个功率子模块串联组成。S11～S1（N+1）与一对共轭电感 L1串联构成桥臂1，S21～S2（N+1）与另一对共轭电感L1串联构成桥臂2，其中4个共轭电感相等。交流电源uS1～uSN分别与电感LS1～LSN串联后接入2个桥臂上的对应节点，Rload为整流器的直流侧负载，Udc和Idc分别为直流侧电压和电流。

所采用的半桥型功率子模块电路如图2所示，子模块由2个IGBT开关管S1和S2串联组成半桥电路后，再与电容C并联构成。开关管S1和S2的开关状态和电流ISM的方向决定了子模块的工作状态。当S1导通、S2关断时，子模块的输出电压USM等于电容C的电压uC。若ISM流入模块，电容C处于充电状态；若ISM流出模块，电容C处于放电状态。

图1 多输入单相MMC整流器Fig.1 Multi-input single-phase MMC rectifier

图2 半桥型功率子模块结构Fig.2 Structure of half bridge power submodule

2 多输入单相MMC整流器的分开关组控制策略

在MMC整流器正常工作过程中，由交流电源uS1～uSN提供直流侧负载消耗的有功功率和为保持各功率模块电容电压稳定所需的无功功率，故交流电源uS1～uSN对桥臂上各开关组的功率模块电容充电和功率模块电容对外放电的过程不断地重复进行。为了保证直流电压Udc稳定，两个桥臂上每个时刻处于开通状态的功率模块数量必须一致，且各个开关组处于导通状态的功率模块电容电压之和为整流器直流侧的输出电压。如图1所示，交流电源uS1～uSN分别连接在桥臂 1的开关组 S11～S1（N+1）的节点a1～aN和桥臂2开关组S21～S2（N+1）的节点b1～bN之间。因此，可以把两个桥臂上各个开关组视为受控电压源。设桥臂1和桥臂2上第j个开关组的输出电压分别为u1j和u2j，其大小表示为

式中：uC_ref为功率模块电容电压的基准值；m1和m2分别为某一时刻开关组S1j和S2j内处于导通状态的功率模块数。

各开关组用受控电压源代替后，多输入单相MMC整流器的等效电路如图3所示。

设各开关组网孔电流为i1～iN+1，各受控源电压参考方向跟Udc相同，则2个桥臂的电压分别为

图3 多输入单相MMC整流器的等效模型Fig.3 Equivalent model of multi-input single-phase MMC rectifier

由于桥臂1和桥臂2具有电气对称性，故节点aj和bj上的电压也具有对称性。如图3（b）所示，将各节点的电压解耦，设第j个交流输入电压对称分解后的电压参考点为GNDj，其对地零电压参考点GND的电压UGNDj为

由节点电压法分析可得桥臂1和桥臂2上各开关组的电压为

由式（5）和式（6）得，在交流电源uS1～uSN和直流侧额定电压确定的情况下，影响整流器各开关组电压稳定的主要因素是流过各电感的电流i1～iN+1，式中恒定不变的分量为各个开关组的参考电压，即

设第j端口的交流电源uSj对应的调制信号为MSj，由于各开关组独立调制，MSj的定义为

根据式（7）～式（9）可得桥臂1和2各开关组的调制信号为

图4 桥臂1开关组调制信号Fig.4 Modulated signals for switch groups on arm 1

3 功率模块电容的充放电控制策略

为了保证输出的直流电压稳定，必须根据功率模块的工作状态，对各功率模块电容的充放电进行控制，具体包括稳压控制和均压控制。

3.1 电容稳压控制

电容稳压控制是以各个功率模块的电容电压和流过各开关组的电流为反馈量，对电容充放电过程进行控制。图5为多输入MMC整流器中桥臂x的电流示意，ixj为流过第j个开关组的电流，设电流ixj流入开关组时方向为正，当其流出开关组时方向为负。在整流器的工作过程中，由于开关周期短，需要对电容的充放电控制做出快速反应，所以在此采用反馈最快的比例控制作为稳压控制。以每个功率模块电容电压为控制对象，电容稳压控制反馈量定义为

式中：uC_ref为电容电压的基准值；uCSxji为第x桥臂上第j个开关组中第i个功率模块的电容电压；ixj为流过第x桥臂上第j个开关组的电流。

当ixj为正向时，电流从功率模块流出，电容处于放电状态，若电容电压超过了基准值，加入调制波的电容稳压反馈量将增大，电容放电时间增加；若电容电压低于基准值，则反之。当ixj为反向时，控制模式同理。

3.2 电容均压控制

如图5所示，ixdc为从桥臂x流入直流侧负载的电流。设直流侧负载电流为idc，第j个交流电源的输出电流为iSj，由能量守恒定律可得

设第k个交流电源输出的有功功率为PSk，无功功率为QSk，在3个理想条件下分析，即①各功率模块电容无功容量恒定；②直流侧输出电压Udc恒定；③直流侧负载Rload为纯电阻，忽略元件内阻。故直流侧电流idc可分解为有功分量izd和无功分量izq，即式中，izd和izq分别为直流侧电流idc的有功分量和无功分量。

图5 多输入单相MMC整流器电流Fig.5 Current of multi-input single phase MMC rectifier

由于直流侧负载为纯电阻，消耗的功率为有功功率，因此，各桥臂电流中的无功功率分量相互抵消，即

设ixdc的有功分量和无功分量分别为izxd和izxq，由于两个桥臂具有电气对称性，分别承担各交流电源一半的有功功率和无功功率，因此两个桥臂的输出电流为

在实际运行过程中，各功率模块电容无功能量是变化的，电容电压无法在每个时刻保持相等，因此各开关组的功率模块之间会存在不平衡电压降，从而引起在功率模块之间流动的无功电流。设第x桥臂第j开关组在功率模块之间流动的无功电流分量ixjQ，由于ixjQ在各开关组内流动，故开关组的电流分量可定义为

设引起ixjQ的不平衡电压降为Δuxj，Δuxj的主要表现为各开关组回路内电流ixjQ流过各电感时产的电压降。由图5可得

其中，Δuxj与开关组电压uSxj的关系为

式中，ūCxj为第j个开关组的电容电压平均值。

由式（20）可知，通过检测交流电源的输入电流iSk以及流过第1个和第N+1个开关组的电流ix1和ix（N+1），经过运算后可以得到各开关组功率模块的平均电容电压偏差，再通过PI调节可以得到电容均压控制电压反馈量。当开关组内产生不平衡电压Δuxj时，可以在开关组各功率模块的调制波加入反馈量，控制开关组的电压，使其抵消不平衡电压，从而抑制无功环流ixjQ。

3.3 开关组驱动信号

基于上述电容的稳压控制和均压控制方法，可以得到第x桥臂第j个开关组中第i个功率模块的调制波为

从式（22）可见，多输入单相MMC整流器的每个功率模块均有独立的开关信号，对同一开关组内n个功率模块可采用文献［18］所述的载波移相SPWM方式进行调制，即n个三角载波的相位依次相差2π/n。因此，本文分别以各个开关组为控制对象，通过调制各个开关组输出电压来实现多路单相交流输入信号的整流。

4 仿真验证

为验证本文所提独立开关组控制方法的可行性，本文在Matlab Simulink环境下搭建了一个3输入单相MMC整流器模型，其中单相交流输入数N= 3，各开关组级联功率模块数n=4。系统的仿真参数如表1所示，3路交流输入电压uS1～uS3的幅值、频率、相位各有不同。

4.1 调制方法的仿真验证

3路交流输入电压uS1～uS3和桥臂1各开关组S11～S14的输出电压及稳态输出直流电压Udc如图6所示。由图可以看出，输入的3个交流电压即使幅值、相位、频率不同，各开关组每一时刻输出电压都可以叠加得到稳定的桥臂输出电压。由此验证了本文提出分开关组控制策略的可行性。

表1 仿真模型参数Tab.1 Simulation parameters

图6 分开关组控制仿真结果Fig.6 Simulation result of switch group control method

4.2 电容充放电策略的仿真验证

当直流侧负载变化时，各交流电源输出的功率也会发生变化，流过各开关组的电流也会发生改变，当开关组电流发生变化时，将会影响到各功率模块的电容电压平衡。因此本文通过改变负载大小，增大整流器输出的直流电流，通过加入电容电压平衡控制前后的模型对比，来验证上述的电容电压平衡控制。

整流器输入的3个交流电压仍为表1所示的uS1～uS3，在3 s时刻，直流侧负载 Rload由400 Ω变为200 Ω，输出直流电流增大2倍。图7为不加入和加入电容电压平衡控制后的仿真结果。由式（18）可得，各桥臂第1和第4开关组的不平衡压降跟桥臂电流有直接的关系，因此仿真结果分析中，选取各桥臂第1和第4开关组内第1个功率模块电容电压作为对比。通过仿真结果对比，可以发现：①未加入电容电压平衡控制的，电容电压波动大，而加入电容电压平衡控制后，电容电压波动较小，并维持在基准值附近；②未加入电容电压平衡控制时，直流电压降低到752.6 V，而加入电容电压平衡控制时，直流电压仅降低到788.9 V。因此，加入功率模块电容电压平衡控制后，各功率模块的电容电压能保持在基准值附近，同时直流侧电压也能保持稳定。

图7 电容电压控制仿真结果Fig.7 Simulation results of capacitor voltage control

5 结论

（1）调制信号独立。该方法使各功率模块均有独立的调制波，可以方便地对功率模块电容充放电进行控制，而无需考虑对其他模块电容电压的影响；

（2）运算逻辑简单。该方法对输入的各交流电压信号先进行加减法运算再调制，逻辑简洁，处理的信息量较小；

（3）适用性较广。该方法不仅适用于多输入交流MMC整流器，同样适用于其他类型多端口MMC变换器。

［1］陈树勇,宋书芳,李兰欣,等.智能电网技术综述［J］.电网技术,2009,33（8）：1-7. Chen Shuyong,Song Shufang,Li Lanxin,et al.Survey on smart grid technology［J］.Power System Technology,2009, 33（8）：1-7（in Chinese）.

［2］田世明,王蓓蓓,张晶.智能电网条件下的需求响应关键技术［J］.中国电机工程学报,2014,34（22）：3576-3589. Tian Shiming,Wang Beibei,Zhang Jing.Key technologies for demand response in smart grid［J］.Proceedings of the CSEE,2014,34（22）：3576-3589（in Chinese）.

［3］张东霞,姚良忠,马文媛.中外智能电网发展战略［J］.中国电机工程学报,2013,33（31）：1-15. Zhang Dongxia,Yao Liangzhong,Ma Wenyuan.Development strategies of smart grid in China and abroad［J］.Proceedings of the CSEE,2013,33（31）：1-15（in Chinese）.

［4］柳睿,杨镜非,程浩忠,等.分布式电源并网的综合评价［J］.电力系统及其自动化学报,2013,25（1）：34-39. Liu Rui,Yang Jingfei,Cheng Haozhong,et al.Comprehensive evaluation of grid-connected distributed generation［J］.Proceedings of the CSU-EPSA,2013,25（1）：34-39（in Chinese）.

［5］陈建斌,胡玉峰,吴小辰.储能技术在南方电网的应用前景分析［J］.南方电网技术,2010,4（6）：32-36. Chen Jianbin,Hu Yufeng,Wu Xiaochen.Investigation intoapplication prospects of energy storage technologies proposed for china southern power grid［J］.Southern Power System Technology,2010,4（6）：32-36（in Chinese）.

［6］徐政,薛英林,张哲任.大容量架空线柔性直流输电关键技术及前景展望［J］.中国电机工程学报,2014,34（29）：5051-5062. Xu Zheng,Xue Yinglin,Zhang Zheren.VSC-HVDC technology suitable for bulk power overhead line transmission［J］.Proceedings of the CSEE,2014,34（29）：5051-5062（in Chinese）.

［7］罗剑波,陈永华,刘强.大规模间歇性新能源并网控制技术综述［J］.电力系统保护与控制,2014,42（22）：40-146. Luo Jianbo,Chen Yonghua,Liu Qiang.Overview of largescale intermittent new energy grid-connected control technology［J］.Power System Protection and Control,2014,42（22）：140-146（in Chinese）.

［8］Lasseter R H.Smart distribution：coupled microgrids［J］. Proceedings of the IEEE,2011,99（6）：1074-1082.

［9］Sirisukprasert S.Power electronics-based energy storages：A key component for smart grid technology［C］.Electrical Engineering Congress（IEECON）,2014 International,IEEE, 2014：1-7.

［10］Qin Qiu,Wu N E.Control effectiveness of facts devices in powersystems［C］.AmericanControlConference（ACC）,2016, IEEE,2016：7504-7509.

［11］Vignesh V,Srivastava S C,Chakrabarti S.A robust decentralized wide area damping controller for wind generators and FACTS controllers considering load model uncertainties［J］.IEEE Transactions on Smart Grid,2016：1-1.

［12］范心明,管霖,夏成军,等.多电平柔性直流输电在风电接入中的应用［J］.高电压技术,2013,39（2）：497-504. Fan Xinming,Guan Lin,Xia Chengjun,et al.Multilevel VSC-HVDC applied in wind power integration［J］.High Voltage Engineering,2013,39（2）：497-504（in Chinese）.

［13］汤广福,贺之渊,庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展［J］.电力系统自动化,2013,37（15）：3-14. Tang Guangfu,He Zhiyuan,Pang Hui.Research,application and development of VSC-HVDC engineering technology［J］.Automation of Electric Power Systems,2013,37（15）：3-14（in Chinese）.

［14］张波,丘东元,付坚.新型多端高压变换器拓扑构造和分析［J］.电源学报,2015,13（6）：69-76,83. Zhang Bo,Qiu Dongyuan,Fu Jian.Topology and analysis of novel multi-terminal high-voltage converters［J］.Journal of Power Supply,2015,13（6）：69-76,83（in Chinese）.

［15］张波,付坚,丘东元.N输入单相2N+2开关组MMC整流器及其控制方法［P］.中国：ZL201410042800.X,2014-04-30. Zhang Bo,Fu Jian,Qiu Dongyuan.N-input single-phase 2N+2 switching groups MMC rectifier and control method［P］.China：ZL201410042800.X,2014-04-30（in Chinese）.

［16］Kominami T,Fujimoto Y.Inverter with reduced switchingdevice count for independent ac motor control［C］.Industrial Electronics Society,2007.IECON 2007.33rd Annual Conference of the IEEE.IEEE,2007：1559-1564.

［17］Kominami T,Fujimoto Y.A novel nine-switch inverter for independent control of two three-phase loads［C］//Industry Applications Conference,2007.42nd IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2007 IEEE.IEEE,2007：2346-2350.

［18］Rodriguez J,Franquelo L G,Kouro S,et al.Multilevel converters：An enabling technology for high-power applications［J］.Proceedings of the IEEE,2009,97（11）：1786-1817.

Research on Control Method for Multi-input Single-phase MMC Rectifier

QIN Li,QIU Dongyuan
（School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 501641,China）

Multi-input single phase MMC rectifier is a kind of new high-voltage converter with multiple AC inputs. This paper proposed a novel switching group independent control method,based on the characteristics of multi-input single-phase MMC rectifier.This method decoupled the modulation signals of switching groups on the same bridge,and then added the capacitor voltage averaging and stabilizing strategies to make the capacitor voltage of each sub-module balance and the output DC voltage stable.Finally,simulation results verify the feasibility of the proposed control method.

multi-input;MMC;rectifier;capacitor voltage balance