一种基于比例-谐振（PR）控制的MMC环流抑制策略

2019-03-06谢佩韦

船电技术 2019年2期

谢佩韦，杨聪

谢佩韦，杨聪

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

环流是模块化多电平变换器（MMC）的固有属性，其存在让子模块电容电压波动幅度增大，并导致桥臂电流畸变且峰值增加，影响系统的运行特性。传统的基于二倍频负序旋转坐标变换的环流抑制策略控制环节繁琐且有一定局限性。本文分析了一种基于比例-谐振（PR）控制的环流抑制策略，该策略控制环节简洁、适用于任意相数的MMC系统。最后通过Matlab/Simulink平台上的仿真，证明了策略的有效性。

模块化多电平变换器环流二倍频负序坐标变换比例-谐振

0 引言

21世纪以来，电力电子技术的发展日新月异，多电平变换器已日渐取代传统的器件串并联技术与多重化技术，成为高压交直流输电以及电气传动领域的新宠。目前，应用最主流的多电平变换器拓扑有二极管钳位型、电容钳位型和级联H桥型这三种结构。

模块化多电平变换器（MMC）是由德国科研学者R.Marquardt于2002年首次提出的一种新型的多电平变换器拓扑结构。它相比于传统的多电平变换器具有诸多的优势：省去了钳位二极管和钳位电容、无需体积笨重的多绕组变压器、可以四象限运行、高度模块化设计、谐波特性好、不平衡工作能力强。MMC拓扑一经提出，就得到了国内外电力电子领域的密切关注。目前对MMC的研究方向主要集中在其调制手段、子模块均压策略以及环流抑制策略上。其中，如何在动态过程中抑制MMC桥臂内部流动、呈二倍频负序性质的环流，是实现MMC应用的重难点之一。

文献[5]针对环流的性质提出了一种基于二倍频负序旋转坐标变换的环流抑制策略，将MMC三相环流通过3/2坐标变换成两个直流量，再使用比例-积分（PI）控制器对其进行抑制。但是这种策略控制电路较复杂，并且只能针对环流的二倍频分量进行抑制，另外其仅适用于三相MMC系统，具有一定的局限性。

本文提出了一种基于比例-谐振（PR）控制的环流抑制策略，这种策略不仅能对环流的主要谐波成份——二倍频分量进行抑制，还能对其他偶次谐波进行抑制。除此之外，这种策略不含有坐标变换以及相间解耦环节，相比于基于二倍频负序坐标变换的环流抑制策略，其控制电路得到了简化，系统运算量得以减少。最后，这种策略不仅仅适用于三相的MMC系统，还适用于单相或是其他相的MMC系统。

1 MMC拓扑结构及工作原理

如图1.1所示的是三相MMC逆变器的拓扑结构，该逆变器由三个完全一致的相单元构成，每一相都并接于直流母线的两端。MMC相单元又可以分为上、下两个桥臂，每个桥臂包含N个拓扑结构一致的子模块SM1～SMn和桥臂电感。表示MMC直流母线电压，、表示流经上、下桥臂的桥臂电流，、表示上、下桥臂子模块电压之和，、表示逆变侧阻感负载。

图1.1 三相MMC逆变器拓扑

图1.2 MMC子模块拓扑

MMC子模块的拓扑结构如图1.2所示，其由两个加反并联二极管的开关器件VT1、VT2和一个直流电容构成，VT1、VT2互补导通。当VT1开通VT2关断时，子模块投入工作，此时桥臂电流对子模块进行充电或放电；当VT1关断VT2开通时，子模块不投入工作，子模块电压值不变。为保证MMC的输出特性，在任一时刻上、下桥臂投入的子模块数量之和应为N。

2 传统MMC环流抑制策略

传统的MMC环流抑制策略是通过二倍频负序旋转坐标变换将MMC的三相二倍频环流进行3/2变换转换成两个直流量并加以抑制。如图2所示的是基于二倍频负序变换的环流抑制策略控制框图。首先，根据MMC环流的定义，将上桥臂电流i和下桥臂电流i进行加和再除以2得到三相环流i，再对环流i进行二倍频负序T/dq矩阵变换得到二倍频环流在水平坐标系轴上的分量i、i，为了达到抑制这两个分量的目的，将水平坐标系上的二倍频环流参考量i、i均赋值为零，将实际量i、i和参考量i、i比较产生的差值信号进行PI比例积分控制器调节。另外，为了解除水平坐标系轴上的耦合关系，引入前馈分量2 wL进行解耦，得到环流压降在dq轴上的参考量U、U。最后对U、U进行二倍频负序T/acb矩阵反变换得到桥臂电压参考波修正量U。

这种环流抑制策略的确能够有效地对MMC环流的二倍频分量进行抑制，但其无法抑制环流的其他偶次分量。并且仅仅适用于三相系统，在单相或者更多相的系统上无法使用。

3 基于比例-积分（PR）控制的MMC环流抑制策略

比例-谐振（PR）控制的原理是PR控制器通过产生一个给定信号的极点，使得该信号的增益趋于无穷大，从而实现对该信号的无静差追踪。PR控制器由比例环节和谐振环节两部分组成，其传递函数可表示为：

基于PR控制器设计的环流抑制策略如图3所示：

图3 基于比例-谐振（PR）控制器的环流抑制策略

其中，

在图3所示的基于PR控制的环流抑制策略中，为了达到抑制环流的目的，我们令环流参考量i为0。环流实际值i与参考值i的误差信号经过PR控制器调节后得到参考波的修正量Uzj*。由于PR控制环节只在谐振频率（）处具有很高的增益，而在其它频率处的增益很小，所以只会抑制谐振频率处的谐波，而对环流的直流分量并不会造成影响。针对环流中的各次偶次谐波，可以在PR控制环节中并行加入各个频率的谐振器n，n=2,4,6…，从而实现对环流各偶次分量的抑制。值得一提的是，由于环流各谐波分量随着频率的增加幅值逐渐减小，因此对于6次或是6次以上的的谐波其实是可以不予以考虑的。

基于PR控制的环流抑制策略不仅能对环流的二倍频分量进行抑制，还可以对其他偶次谐波进行抑制。除此之外，这种策略不含有旋转坐标变换及相间解耦环节，控制电路较为简化，系统运算量得以减少。最后这种策略不仅仅适用于三相MMC系统，单相或是多相系统也同样适用。

4 仿真验证

为了验证这种基于PR控制的环流抑制策略的有效性，本文在Matlab/Simulink平台上搭建了三相五电平的MMC模型，具体所用参数见表1所示。

以MMC的a相为例作分析，图4所示的是未采用环流抑制策略时的a相环流波形，此时其峰峰值达到了8 A左右。图5则是采用了上节分析的基于PR控制的环流抑制策略后的a相环流波形，其峰峰值从8 A左右被抑制到了1 A以内，抑制效果明显，证明了基于PR控制的环流抑制策略的有效性。

表1 MMC仿真参数

图4 未采用环流抑制策略时的a相环流

图6 未采用环流抑制策略时的a相桥臂电流

未采用环流抑制策略时的a相上、下桥臂电流波形如图6所示，可以看到在没有施加环流抑制策略时，桥臂电流会产生明显的二倍频畸变，这是环流的二倍频分量叠加所致。图7所示的则是施加基于PR控制的环流抑制策略后a相上、下桥臂电流波形，显而易见的是，由于这种策略对环流的抑制作用，桥臂电流的二倍频畸变得到修复，其波形更加接近于正弦波。