适用于配电网互联的内联式MMC型固态变压器

殷 展，杜仁平，姜黎明，张建文，周剑桥，施 刚

（1.国网上海嘉定供电公司，上海 201800；2.上海交通大学 风力发电研究中心，电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240）

0 引言

随着可再生能源和直流型负荷的发展，现有的单向辐射状交流配电网已很难满足可再生能源的消纳及直流用户对供电可靠性的要求，未来配电系统将发展为网状的多电压等级交、直流混合 配 电 架 构[1]，[2]。

在直流混合配电网中，基于电力电子技术的固态变压器具有多端口、高变比、多电压形态等特点[3]～[5]。固态变压器可提供多种交、直流端口，实现不同电压等级和电力形态的可再生能源友好并网；同时，固态变压器可提供灵活多向的可控功率，实现可再生能源的波动功率平抑与“源-网-荷”协调控制。文献[6]提出了一种基于级联H桥架构的固态变压器，该装置提供了中压交流以及低压交、直流端口，适用于低压交、直流微网的互联应用，但未提供中压直流端口。文献[7]提出了一种基于模块化多电平架构的固态变压器，该装置可提供中压交、直流以及低压交、直流四类端口，适用于交、直流混合配电网互联，但该装置的低压直流端由中压直流侧通过DC-DC变换得到；当中压直流线路故障时，低压直流亦无法维持运行，其用户侧供电可靠性的提高尚需进一步的研究。

本文提出一种内联式MMC型固态变压器（interlink Modular Multilevel Converter based Solid State Transformer，iMMC-SST）。该 拓 扑 由 模 块 化 多电 平 换 流 器（Modular Multilevel Converter，MMC）和多个双有源桥变换单元 （Dual Active Bridge，DAB）构成，同样具备以上四类交、直流端口，且避免了低压直流和中压直流的DC-DC互联，当某端口线路故障时，装置的其余端口间依旧具备功率传输路径，即装置在端口故障时具备不间断运行能力。

1 iMMC-SST拓扑结构

图1为iMMC-SST的拓扑结构。图中：MMC通过子模块（Submodule，SM）串联升压，以适用于中压交、直流配电场合；多个DAB和SM在直流侧互联，实现电压变换、功率传递和高频隔离功能，各DAB输出侧并联形成低压直流母线；低压直流母线上可灵活接入三相/单相逆变器，为低压交流用户供电。该拓扑具有以下特点：①中压交、直流和低压交、直流四类端口，适用于交、直流混合配电网互联；②低压直流通过内联MMC的多个DAB单元并联形成，其和中压交流网的功率交互不受中压直流侧故障的影响，保证了低压用户侧的供电可靠性；③各SM和DAB形成一个独立的模块单元，便于生产制造，多模块结构提高了装置运行的可靠性；④DAB模块数目众多，单一的DAB模块容量需求较低，降低了DAB内部高频变压器的设计难度和成本。

图1 iMMC-SST拓扑Fig.1 Topology of iMMC-SST

2 iMMC-SST工作原理

在三相平衡条件下，iMMC-SST的单相电路工作原理如图2所示。模块单元拓扑如图3所示。低压侧三相逆变器为独立单元，已有较多文献分析，因此本文不做考虑。图2中：uga，iga为 网 侧A相 电 压 和 电 流；upa，ipa为A相上桥臂电压和电流；ua，ia为A相下桥臂电压和电流；Ud，Id为中压直流母线电压和电流；ULdc，ILdc为 低 压 直 流 母 线 电 压 和 电 流 ；ica为A相桥臂环流；Lg，La分别为网侧电感和桥臂电感。图3中，uopa为A相上桥臂子模块的输出电压；ucpa，icpa为A相上桥臂子模块电容的电压和电流；iipa，idpa为子模块直流侧输入电流和DAB的输入电流；HFT为DAB的高频变压器；uopa为A相上桥臂DAB的输出电流；Ls为高频变压器的漏抗。

图2 iMMC-SST单相电路Fig.2 Single-phase circuit of iMMC-SST

图3 iMMC-SST模块单元拓扑Fig.3 Power unit topology of iMMC-SST

基于图2分析可得，MMC侧环路电压方程为

由 式（1），（2）可 知，通 过 调 节 桥 臂 电 压 之 差，可实现MMC交流侧电压输出，与网侧进行功率交换；通过调节桥臂电压之和，可稳定中压直流电压，并实现环流控制。

因此，稳态运行时，为实现MMC的上述功能，上、下桥臂电压须分别调节为

由式（7）可知，在iMMC-SST中，桥臂瞬时功率包含直流、基频和二倍频分量。其直流分量须由DAB吸收，以实现子模块电容的能量平衡，维持装置的稳态运行。

基于图3分析DAB侧的工作原理，文中的DAB采用单移相方波调制策略实现功率传输。为保证各模块DAB间的功率均衡，各DAB将采用公共移相角。此时，A相上桥臂DAB模块的传输功 率 为[8]，[9]

式中：n为电压变比；φd为DAB的公共移相角；fd为DAB的方波频率。

由式（8）可解DAB输入电流为

由式（9）可知，采用公共移相角时，三相六桥臂中的各个DAB输入电流相等，且低压直流电压稳定时，该输入电流为直流量。同理，可解得DAB的输出电流为

根据式（10）可知，各DAB的输出电流和对应模块的电容电压成正比，当电容电压中存在波动时，输出电流中亦存在波动。

令A相上、下桥臂电容电压分别为

式 中：Uc为 模 块 电 容 电 压 的 直 流 分 量；Δucpa，Δuona分别为上、下桥臂电容电压的交流波动量；N为单桥臂的模块单元数目。

根 据 式（8），（11）可 知，DAB模 块 的 传 输 功 率包括直流功率和波动功率，其中各DAB模块传输的直流功率之和应为低压直流母线的输出功率，则A相上、下桥臂DAB的瞬时输入功率为

结 合 式（7），（12）可 知，桥 臂 瞬 时 输 入 功 率 中的直流分量，将完全被级联的DAB模块单元吸收，并为低压直流侧的负载供电。因此各桥臂的子模块电容均可维持能量平衡，从而保证iMMCSST的稳态运行。

最后，分析iMMC-SST稳态下的电容电压波动、二倍频环流及DAB输出电流波动。为输出式（3）中的桥臂电压，MMC的A相上、下桥臂子模块所采用的开关函数为

式中：m=2Em/Ud为调制系数。

由式（15）可知，iMMC-SST的模块电容电压波动由基频和二倍频分量构成，该电容电压低频波动现象和传统的MMC是一致的[11]～[13]。

考 虑 电 容 电 压 波 动 时，联 立 式（1），（15），A相桥臂环流可计算为

由式（16）可得无环流控制时，iMMC-SST的桥臂上将存在二倍频环流分量，该内部环流波动现象亦和传统的MMC是一致的。

基于三相电容电压波动的对称性，各DAB输出电流之和为

式 中：p，n分 别 为 上 桥 臂 和 下 桥 臂；a，b，c分 别 表示A，B，C三相。

由式（17）可知，三相平衡条件下，各DAB输出电流中的波动量将在低压直流侧相互抵消。

通过对iMMC-SST工作原理和能量平衡的分析，可得以下结论：①iMMC-SST的桥臂瞬时输入功率中存在直流分量，该直流分量将通过DAB传递到低压直流侧，子模块电容处于能量平衡状态，iMMC-SST可实现稳态运行；②iMMC-SST中的子模块电容为各端口功率交互时的缓冲能量池，因此，电容电压中必然存在低频波动。波动方程式（15）和MMC模块电容电压波动一致，可依据MMC的电容选型方法设计iMMC-SST的电容，使电压波动在合理范围内，不影响iMMC-SST正 常 运 行；③由 式（12），（17）可 知，直 流 功 率 与MMC电容电压波动导致的波动功率会在各DAB模块传递，其中直流功率为低压侧负载供电，波动功率则在低压侧自平衡。因此MMC电容电压波动不影响低压侧的正常运行与电压稳定，MMC和DAB可实现解耦控制。

3 iMMC-SST控制策略

iMMC-SST的控制策略如图4所示。

图4 iMMC-SST控制策略Fig.4 Control strategy of iMMC-SST

图 中：ugd，ugq为 网 侧 三 相 电 压 的d，q轴 分 量；igd，igq为 网 侧 电 流 的d，q轴 分 量；e*a，e*b，e*c为MMC三相交流侧等效电压参考值；ucpak，为A相上桥臂第k个子模块电容电压；u*pak为A相上桥臂第k个子模块输出电压参考值。

MMC侧的控制由PLL锁相环、外环控制、内环控制、电容电压平衡控制以及调制5部分组成。外环控制采用定直流电压控制；内环控制采用有功无功电流控制；电容电压平衡控制根据桥臂电流方向，确定各子模块的附加参考电压；调制方案采用移相载波技术[10]。

DAB单元的控制环路由低压直流电压控制以及方波调制两部分组成。电压控制根据低压直流母线的电压幅值，决定DAB所需传递的功率及移相角；调制部分则采用方波移相调制策略，输出DAB所需的方波波形，实现直流功率和波动功率的传递。

4 实验验证

为验证所提的iMMC-SST拓扑的工作原理及控制策略正确性，搭建了4.8 kV·A的iMMCSST实验样机，如图5所示。采用了5电平MMC与24个全桥型DAB模块，实验样机的电路参数如表1所示。

图5 iMMC-SST试验平台示意图Fig.5 Diagram of iMMC-SST platform

表1 iMMC-SST实验样机参数Table 1 Parameters of iMMC-SST prototype

图中高频变压器与主回路柜装设DAB内部高频变压器以及外端口主电路无源器件（相电感、桥臂电感、负载等）。功率柜则由多个机箱搭建而成，各机箱内部为8个功率单元和1个子控制器，功率单元的开关模块采用英飞凌公司的全桥IGBT模块F4-75R06W1E3，各功率单元的交、直流端口可实现自由搭接；子控制器通过光纤和Myway公司的主控制器进行通讯，构成分层分布式控制系统，在减轻主控制器负担，提高系统可靠性的同时，实现控制系统模块化，可扩展性较强。

稳态运行工况下，iMMC-SST的中压直流和低压直流侧负载分别从交流侧吸收2.4 kW功率，而中压交流侧无功功率控制为0。实验结果如图6所示。

图6 MMC-SST试验波形Fig.6 Waveforms of iMMC-SST

由图6可知，中压直流侧电压可稳定在160 V，验证了MMC侧直流电压控制环的有效性。网侧电流相位和电压一致，验证了MMC侧有功-无功电流控制环的有效性。电容电压稳定在40 V，且存在基频和二倍频波动，而环流中除了直流分量外，存在二倍频分量，验证了式（16）及MMC侧工作原理分析的正确性。三相DAB输出电流中的波动量幅值一致，相位相差120°，可在低压直流侧自平衡，验证了式（17）及DAB侧工作原理分析的正确性；低压直流电压稳定在40 V，即采用公共移相角方案时，MMC中的功率波动不会影响DAB的低压直流电压控制。验证了所提的运行方案及控制策略，可实现iMMC-SST内部能量平衡，三端口间的灵活功率交互及电压稳定控制。

5 结束语

本文提出了一种适用于交、直流混合配电网的网间互联的iMMC-SST，分析了该拓扑的工作原理，设计了其相应的运行和控制方案，随着交、直流混合配电网的发展，在未来iMMC-SST将具有更为广阔的应用前景。面对大量可再生能源的接入，固态变压器可提供多种交、直流端口，实现不同电压等级和电力形态的可再生能源友好并网；同时，固态变压器可提供灵活多向的可控功率，实现可再生能源的波动功率平抑与“源-网-荷”协调控制。