模块化多电平直流变压器子模块电压平衡控制方法研究

2020-10-22高铁峰王乾同郑珞琳

江苏科技信息 2020年23期

高铁峰，王乾同，郑珞琳

（1.国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏南京211102；2.南京理工大学，江苏南京210094；3.国网电力科学研究院有限公司，江苏南京210061）

0 引言

随着高压大功率电力电子技术的日趋成熟以及相关设备的广泛应用，直流输配电技术已逐步成为解决大规模电能的远距离输送、促进新能源的并网及消纳、提高区域交流互联电网安全稳定性的有效技术手段［1-2］。

直流电网目前存在多种电压等级，因此涉及直流电压等级的变换，而传统的直流变换器拓扑难以满足高压大功率的电压变换需求［3-4］。因此，需要研究用于实现不同电压等级直流输配电线路互联并具有电气隔离、电压调节、功率双向传输、快速故障保护等功能的新型直流变换器——直流变压器（Direct Current Transformer，DCT），这将有利于直流电网技术的快速发展。

多电平变换器是一种较好的提升DCDC变换器耐压和功率等级的方案［5-6］，原因在于其降低了中间环节交流电压的dv/dt，仅需要使用单个高压隔离变压器，简化了系统。其中，模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）由于在模块化程度、冗余度、可扩展性、公共直流侧无集中电容等诸多方面存在优势，因此适用于高变比直流变换的场合。

本文首先介绍了MMC-DCT 的拓扑构成和工作原理，建立了功率传输数学模型，然后提出了子模块直流电压平衡控制方法，最后进行了仿真验证。

1 MMC-DCT拓扑结构

本文所研究的模块化多电平直流变压器拓扑如图1 所示，总体上可以分为原边中压直流侧、中高频交流侧、副边低压直流侧。

图1 MMC-DCT拓扑结构

原边中压直流侧和副边低压直流侧分别接直流配电网中电压等级不同的直流线路，也可以为新能源提供并网接口。中压侧和低压侧均为单相全桥结构，其中每个相单元分为上桥臂和下桥臂。直流侧的正极与上桥臂相连，直流侧的负极与下桥臂相连。每个桥臂串联有若干个子模块和一个桥臂电抗器。子模块数量可以根据实际的直流电压等级改变，并可以留有一定的冗余量，在其他子模块发生故障时作为备用使用。桥臂电抗器可以有效地减小桥臂的环流。

Udc1、Udc2分别为原边直流端电压、副边直流电压，Larm1、Larm2分别为原边、副边桥臂串联电抗，Ls为变压器的等效漏感，n、m分别为原边、副边桥臂上的子模块数量，K为变压器变比，idc1为原边直流侧电流，iac1、iac2分别为原、副边交流侧电流。

2 MMC-DCT工作原理及数学模型

MMC-DCT 的子模块在正常运行时有投入和旁路两种状态，假设子模块在运行中已经经过电容电压平衡处理，每个子模块上的电容电压均为USM。当子模块为旁路状态时，子模块输出电压为0，即仅当子模块处于投入状态时才对直流侧电压有作用。根据图1可以得到：

Udc1为原边直流侧电压，USM为单个子模块输出电压。每当上桥臂减少1个子模块投入，下桥臂应该相应地增加1个子模块的投入，使得每一相的子模块总数保持在n。当下桥臂全部处于投入状态，上桥臂全部处于旁路状态，交流侧电压达到最大值Udc1/2。反之，交流侧电压达到最小值-Udc1/2。在这个过程中每当上桥臂增加1 个子模块投入、下桥臂减小1 个子模块的投入时，交流侧电压下降USM。由此在交流端形成了1个n+1电平的交流电压。

图2 为MMC-DCT 的单相等值电路图，上桥臂子模块和下桥臂子模块被等效为电压源，其电压和分别表示为ua1和ua2；icoma为该相的共模电流。

图2 MMC-DCT单相等值电路

由基尔霍夫电压定律可以得到：

由于拓扑的对称性，直流侧电流idc1被平均分配到两相上，且交流侧电流iac1也被平均分配到上桥臂和下桥臂，由此上下桥臂的电流可以表示为：

系统在正常运行时，直流电流分量idc1不会在桥臂电感上产生电压，交流电流分量在上下桥臂作用电压相反，效果相互抵消，桥臂环流icira作用在两个桥臂电感上的电压为：

本文忽略环流对桥臂电感的影响，可以假设上下电感间短路，如图2中虚线所示。从图中可以看出两个桥臂电感并联作用在交流电路，其电感量变为原来的一半。通过相同的分析方法，对于MMC-DCT中每一个相单元都可以由此表示，整个电路可以简化为图3所示。

图3 MMC-DCT简化模型

将各个桥臂上的子模块都等效成电压源，将原、副边桥臂电感归算到交流侧。由基尔霍夫电压定律可以得到变压器原边电压up和副边电压us：

根据式（6）可以绘制出交流侧功率传输等效模型，如图4 所示，其中r为原副边等效到原边的线路阻抗。

图4 MMC-DCT交流侧功率传输等效模型

3 MMC-DCT子模块直流电压平衡控制方法

MMC-DCT 的直流侧无集中电容，由于电容分散的问题，子模块电容电压存在动态偏移，使得调制出的波形发生畸变。因此维持子模块电容电压的均衡，是稳定系统工作的重要条件。

子模块脉冲循环法主要适用于准两电平调制方法的子模块电压均衡。以系统的一个由4 个子模块组成的下桥臂为例，每当交流侧电压需要高电压时，4个子模块脉冲信号依次延迟Td时间跳变为高电平，记其跳变为上升的顺序为1-2-3-4，即第1 个子模块最先跳变，然后是第2个子模块，直到最后1个子模块动作结束，下降的跳变顺序与上升的顺序一致。在第2个开关周期时，其跳变的顺序变为4-1-2-3，第3个周期顺序为：3-4-1-2，以此类推。这样形成了1 个以4个开关周期为1个脉冲循环周期的调制方法。在1个脉冲循环周期内，每个子模块的充放电时间一致，脉冲信号得到均分，使得在子模块电容保持均衡。

采用子模块脉冲循环均压法的优点在于该方法为开环调节方法，不需要采集桥臂电流和子模块电容电压，节省了设备的成本，同时调制方法简单，开关损耗小，易于实现［7］。

4 仿真验证

为了验证子模块电压平衡控制方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了MMC-DCT的仿真模型。主要参数包括：原边直流电压Udc1=8 kV，原边桥臂电感Ls1=10 uH，原、副边桥臂电阻R1=0.02 Ω、R2=0.01 Ω，原、副边子模块电容CSM1=2 mF、CSM2=2 mF，副边桥臂电感Ls2=5 uH，变压器漏感Lk=5 mH，变压器变比K=8 000/4 000，负载电阻Rload=40 Ω，原、副边桥臂子模块数目n=4、m=4，开关频率f=20 kHz。

为了验证子模块平衡策略，系统采用了准两电平调制法。图5所示为系统中原边a相上桥臂各子模块直流电压，uca11表示a 相上桥臂第1 个子模块直流电压，其他同理。由于电容没有经过软启动，其冲击电流导致了子模块电压的大幅度振荡，但最终在0.02 s左右趋于2 000 V稳定。

图6 所示为系统中副边b 相上桥臂各子模块直流电压，经过0.02 s 的充电之后在1 000 V 趋于稳定，并且每个桥臂上子模块的电压均衡。当负载电阻在0.15 s 发生变化后，桥臂子模块在经过短暂的跌落后在0.27 s恢复均衡状态，该仿真验证了子模块脉冲循环均压法的有效性。