一种用于模块化多电平变换器的优化均压策略

谢佩韦，钱善柏，宋 飞



一种用于模块化多电平变换器的优化均压策略

谢佩韦1，钱善柏2，宋 飞1

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2.中国解放军73238部队，舟山 316000）

模块化多电平变换器（MMC）的子模块电容电压均衡问题，是工程应用中需要解决的难点问题之一。本文针对采用电容电压排序，根据电流方向直接选择相应子模块投入的传统均压策略进行了改进和优化，引入了子模块电容电压值的上、下限，有效地避免了子模块的频繁投切现象，降低了系统的开关损耗。最后通过在Matlab/Simulink平台上搭建MMC仿真模型，对优化前后均压策略进行了比较，仿真结果证明改进算法有效地减小了IGBT开关次数，降低了系统损耗。

模块化多电平变换器 子模块电压均衡 开关频率 开关损耗

0 引言

近些年来，随着电力电子技术的的飞速发展，多电平变换器凭借着良好的适应性和较好的谐波特性，使其无论是在高压直流输电（HVDC）领域、柔性交流输电（FACTS）领域还是电气传动领域，都得到了广泛的应用[1-4]。常见的多电平变换器有二极管钳位型、飞跨电容型以及H桥级联型这三种拓扑结构。

模块化多电平变换器（MMC）是由德国学者R.Marquardt提出的一种新型的多电平变换器拓扑。相比于传统多电平变换器，MMC因其独特的拓扑结构而具有诸多优势：高度模块化设计、具有公共直流母线、输出特性好、不平衡运行能力强。MMC的概念一经提出，就成为了国内外电力电子领域的研究热点，目前对MMC相关技术的研究主要集中在其调制策略、子模块均压策略以及环流抑制策略上。其中，如何在动态过程中各个子模块电容电压的均衡控制，使能量在整个变换器中均匀分配，是实现MMC应用的难点之一[5,6]。

文献[7,8]提出了一种基于电容电压排序的子模块均压策略。当桥臂电流大于0，子模块电容处于充电状态时，投入电容电压最低的若干个子模块；当桥臂电流小于0，子模块电容处于放电状态时，投入电容电压最高的若干个子模块。这种策略的确能够有效地实现各子模块的均压，但是会导致子模块IGBT的投切次数过于频繁，增加了开关频率与系统损耗。

本文对这种基于电容电压排序的子模块均压策略进行了优化。为子模块的电容值设定了一组上下界，只有当存在子模块电容值越界时，才对各子模块电容电压进行排序；当没有子模块电容值越界时，沿用上一次排序的结果。采用这种优化的策略有效地避免了IGBT不必要的投切，降低了开关损耗。

1 MMC拓扑

MMC的基本结构如图1所示，它由三相构成，每相又可以分为上、下两个桥臂，每个桥臂包括个拓扑结构完全一致的子模块以及一个桥臂电感L。U表示直流侧电压,i、i分别表示上、下桥臂的桥臂电流，U、U分别表示上、下桥臂子模块的端口电压，、表示输出端负载。

MMC子模块的拓扑结构是由两个反并联了二极管、的开关管、串联后再与一个直流电容并联组成。通过控制开关管、的通断，可以控制子模块的工作状态。当开通、关断时，子模块投入，此时子模块电容在桥臂电流的作用下进行充电或放电；当关断、开通时，子模块切除，此时子模块电容电压不变。在正常运行状态下，开关管、必须互补开通。

2 传统的子模块均压策略

传统的子模块均压策略首先需要计算出在某一时刻桥臂投入的子模块数量，再根据该时刻子模块电容电压的排序结果以及桥臂电流的流向来确定具体应该选择哪个子模块投入。当桥臂电流大于0，对子模块电容充电时，选择电容电压值最小的个子模块投入；当桥臂电流小于0，对子模块电容放电时，选择电容电压值最大的个子模块投入[7]。这种均压策略的具体流程如下。

1）计算某一时刻桥臂内投入的子模块数量。

2）采集这一时刻桥臂内各子模块的电容电压数值以及桥臂电流数值。

3）对桥臂内各子模块的电容电压值进行排序，排序后得到U＞U＞…＞U，并得到U～U与桥臂内个子模块的映射关系。

4）若桥臂电流大于0时，对子模块电容充电时，投入U～U所对应的子模块，切除U～U所对应的子模块；反之，若桥臂电流小于0，对子模块电容放电时，投入U～U所对应的子模块，切除U～U所对应的子模块。

这种传统均压策略的确能够有效地实现子模块均压，但是其在原理上并未考虑开关器件频繁开断的问题，仅仅是遵从在任意时刻都要保证各子模块的电容电压都相对一致的原则，根据子模块电容电压的实时排序结果以及桥臂电流的实时流向，选择相应的子模块投入、切除。每一次排序之后，都可能造成子模块投切状态的改变，这势必会造成IGBT的频繁开断，从而给系统带来很多不必要的开关损耗，这是在实际工程应用中人们不愿意看到。

3 优化的子模块均压策略

在实际应用中，人们所希望达到的子模块均压效果并不只是追求各子模块电容电压的一致性，而是希望将各子模块电容电压的波动稳定在其额定值附近。所以，当所有子模块的电容电压数值都已经处于其额定值的附近时，并没有必要进行排序，可以直接沿用上一次排序的结果。而只有当存在子模块的电容电压数值超出我们想要的范围时，才进行重新排序。

据此，我们可以在子模块电容电压的额定值附近设一组上、下限分别为U、U。当所有子模块的电容电压值都位于这组上、下限之内时，我们不进行排序，直接沿用上一次的排序结果；当存在子模块的电容电压值位于这组上、下限之外时，则进行重新排序。这样一来，既能保证各子模块的电容电压值都能稳定在额定值附近，也能有效地减少子模块投切状态的改变，降低系统的开关损耗。优化的子模块均压策略流程图见图3。

4 仿真验证

为了验证这种优化的子模块均压策略的有效性，本文在Matlab/Simulink平台上搭建了三相五电平的MMC模型，所用的仿真参数见表1。在这里我们设定子模块电容电压允许上下波动的幅度为其额定值的5％即10 V ，所以可选上、下限分别为U=210 V、U=190 V。

现以a相上桥臂为分析对象，并选取桥臂内的一个子模块。图4和图5所示的分别是采用传统均压策略和优化均压策略后所得到的该子模块的触发脉冲波形。从仿真结果的对比可以明显看出，采用优化的均压策略后子模块投切的频率得到了很大程度上的改善，因此系统的开关损耗也会显著减少，证明了这种策略的有效性。

图4 采用传统均压策略后的子模块触发脉冲

图5 采用优化均压策略后的子模块触发脉冲

图6和图7所示的则分别是采用传统均压策略和采用优化均压策略后所得到的a相上桥臂的所有子模块的电容电压波形。可以看到，采用优化的均压策略后，虽然各子模块的电容电压一致性受到了一定的影响，但其上下波动的幅度也能满足在我们所设定的10 V之内，对变流器的影响很小。

图6 采用传统均压策略后的a相上桥臂电容电压

图7 采用优化均压策略后的a相上桥臂电容电压

5 结论

本文提出了一种用于模块化多电平变换器的优化均压策略，通过在传统的基于电容电压排序的均压策略的基础上引入子模块电容电压的上、下限U、U作为判定依据，来降低子模块的投切频率，从而降低系统的开关损耗。最后在Matlab/Simulink平台上搭建了三相五电平MMC模型，并将采用两种均压策略后得到的子模块触发脉冲波形以及子模块电容电压波形进行对比，证明了优化均压策略的正确性及有效性。

[1] 杨晓峰.模块组合多电平变换器(MMC)研究：[博士学位论文].北京:北京交通大学，2011.

[2] 李永东,依鹏. 大功率高性能逆变器技术发展综述[J]. 电气传动，2000,（6）：3-8.

[3] 李永东，饶建业.大容量多电平变换器拓扑—— 现状与进展[J].电气技术，2008,（9）：7-12.

[4] Franquelo LG, Rodriguez J,Leon JI.The age of multilevel converters arrives[J].IEEE Industrial Electronics Magazine,2008,2(2):28-39.

[5] Glinka M,Marquart R. A new AC/AC multilevel converter family[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(3):662-669.

[6] 丁冠军，丁明，汤广福，等. 新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略[J].中国电机工程学报，2009,29（30）：1-9.

[7] 刘钟淇，宋强，刘文华.基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统[J].电力系统自动化，2010,34（2）:53-58.

[8] 王晓鹏.模块化组合多电平变换器控制系统研制[D].北京：北京交通大学，2011.

Improved Voltage Balancing Control Method for Modular Multilevel Converter

Xie Peiwei1, Qian Shanbai2，Song Fei1

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2.No.73238 Troops of PLA，Zhoushan 316000，China )

For modular multilevel converter, it seems difficult to solve the questions of voltage balancing among the sub modules(SM) are difficult to solve. The traditional method, which uses the sorting results of the SM capacitor voltages and fires the IGBTs directly, leads to relatively higher power losses. This paper proposes an improved voltage balancing control method, which reduces the switching operation significantly and the switching losses of the converter. The model of MMC is realized by Matlab/Simulink, and the traditional and improved voltage balancing control methods are compared. The simulation results demonstrate that the model is reasonable and the improved method is effective.

Modular multilevel converter; voltage balancing of SM; switching frequency; switching losses

TM461

A

1003-4862（2017）01-0032-03

2016-09-15

谢佩韦(1991-),男，硕士。研究方向：电力电子技术。Email:2269677562@qq.com