一種模塊化多電平換流器分布式均壓控制策略

羅永捷，李子欣，李耀華，王 平

（1.中國科學院電工研究所中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室，北京100190；2.中國科學院大學，北京100039）

一種模塊化多電平換流器分布式均壓控制策略

羅永捷1,2，李子欣1，李耀華1，王 平1

（1.中國科學院電工研究所中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室，北京100190；2.中國科學院大學，北京100039）

應用于柔性高壓直流輸電領域的模塊化多電平換流器，其橋臂級聯功率模塊數量通常多達數百個；而現有的閥控系統電容排序均壓策略存在運算量大、硬件實現困難等問題。針對該問題，首先提出了一種分布式模塊電壓均衡控制策略；然后通過將橋臂中的功率模塊分組，把橋臂電容電壓平均值作為參考值。分組模塊電壓平均值作為反饋值，對各分組功率模塊導通數動態調整，在保證電壓均衡效果良好的前提下，有效降低控制系統處理器的運算量。該策略中所有功率模塊均能實現故障冗余，而不會降低換流器整體冗余能力。最后在PSCAD/EMTDC中構建HVDC系統進行仿真驗證，仿真結果證明了該策略的正確性和有效性。

高壓直流輸電；模塊化多電平換流器（MMC）；均壓算法；分布式控制；冗余模塊

引言

基于電壓源型換流器的柔性高壓直流輸電技術VSC-HVDC（voltage sourced converter based high voltage direct current）以其在可再生新能源并網、城市直流配電網、交流異步電網互聯以及孤島供電等領域的廣闊應用前景，日益獲得廣泛關注［1-5］。

德國學者Rainer Marquardt于2003年提出了模塊化多電平換流器MMC（modular multilevel con-verter）拓撲［5］。與傳統的兩電平、三電平VSC拓撲相比，MMC采用模塊化設計、輸出電壓諧波小、功率器件開關頻率低，尤其適用于VSC-HVDC系統。

基于MMC拓撲的運行原理，功率模塊的電容電壓均衡控制是保證MMC穩定運行的基礎?，F有研究對MMC的模塊電容均壓控制進行了廣泛而深入的研究［6-10］。根據調制策略的不同，模塊電容均壓控制可分為2類：（1）功率模塊增加閉環均壓控制；（2）調制策略中增加均壓算法，以電容電壓排序算法為代表。前者需要每一個功率模塊增加額外的硬件電路和控制算法，這在實際工程中是難以實現的。因此，目前投運的MMC-HVDC均采用第2類均壓算法。

現有研究主要從降低開關頻率以減少損耗的角度對均壓策略進行了深入研究。文獻［6,7］在傳統均壓算法基礎上進行改進，其控制重點在于避免因排序算法導致的同一IGBT不必要的反復投切現象，從而有效降低了功率器件的開關損耗。文獻［9］則通過存儲上一次排序結果對當前電壓進行“雙排序”，當投入模塊數變化時，盡可能地保持當前模塊狀態不變，從而降低模塊投入切除的頻率，但電容電壓均衡效果較差。

在高壓大容量的HVDC場合中，MMC通常包含大量功率模塊，每個橋臂由高達數百個功率模塊級聯而成。例如中國南方電網公司在廣東南澳島的全球首個±160 kV三端柔性直流輸電系統，其MMC換流站每橋臂含有220個功率模塊；中國云南電網與廣西電網異步互聯工程中，MMC換流站每橋臂高達468個功率模塊。這種情況下，基于排序算法的均壓調制策略，因控制系統運算量十分巨大，對控制系統處理器提出了很高的要求。進一步提高電壓等級帶來的功率模塊數量增加，使得傳統排序均壓算法難以應用，在一定程度上阻礙了MMC在HVDC領域的發展應用。文獻［6］在傳統排序算法基礎上提出了簡化算法，將平衡控制的重點放在偏離額定電壓值較多的功率模塊上，并允許電容電壓存在一定的差異；但這種方法仍需對所有功率模塊排序和均衡控制。

另外，為了提高換流器在運行過程中的可靠性，MMC每個橋臂中的功率模塊均有冗余設置:當模塊化多電平變流器在運行過程中出現某些功率模塊故障，但故障模塊的數量不超過設計要求范圍，則這些功率模塊會自行旁路，而不會影響整個換流器的運行或者使系統停機。廣東南澳±160 kV三端柔性直流輸電工程中，MMC的冗余功率模塊數量為10%，即每個橋臂中出現故障的功率模塊數量只要不超過橋臂功率模塊總數量的10%，則出現故障的功率模塊會自行旁路，而整個換流器繼續運行。對于模塊化多電平換流器的控制系統來說，其對功率模塊的電壓均衡控制算法應該保證在故障的功率模塊被旁路的前后均能實現良好的效果，而不應該受模塊故障的影響。文獻［10］對橋臂功率模塊進行分組，模塊組整體進行投切，能有效降低排序算法的運算量；但當某一模塊組內部功率模塊發生故障旁路時，模塊組電壓將顯著降低，因此這種方法不具備功率模塊冗余能力。文獻［12］分析了應用于模塊化多電平換流器的控制器三級構架，能夠減少模塊與控制器之間的光纖連接數量。

針對現有均壓排序算法存在的問題，本文提出一種具備功率模塊冗余能力的分布式電容電壓均衡控制策略。在分析MMC運行機理的基礎上，研究應用于HVDC系統的MMC控制系統。傳統均壓算法中，對所有功率模塊進行統一排序和均壓控制極大的增加了排序運算矩陣的秩，產生了很大的運算量。本文提出的分布式均壓策略在功率模塊分組控制系統（valve group control）中進行分布式排序和均壓控制，能夠有效降低排序運算量，并且具備功率模塊冗余能力。該策略在單相和三相MMC系統中均適用。

1 MMC基本原理

如圖1所示，MMC電路拓撲由6個橋臂構成，每橋臂包括N個功率模塊（SM）和橋臂電感L；上下兩個橋臂構成一個相單元。圖1中uio為交流輸出電壓，o為假想的交流相電壓中點，i=a，b，c；Udc為直流母線電壓。功率模塊由2個全控型半導體開關器件和直流電容構成，包括3種工作狀態：輸出+ Uc、0和閉鎖狀態。K1和K2分別代表晶閘管和旁路開關。

圖1 MMC電路拓撲Fig.1 Topology of MMC

以A相為例，MMC交流輸出電壓uao可表示為

式中：uau和ual分別為上、下橋臂電壓。則橋臂電流iau和ial分別為

式中：ia為A相電流，idc和idiff為直流分量和環流分量。則上、下橋臂參考電壓uau_ref和ual_ref分別表示為

式中：M為調制比；ω為工頻角頻率；δ為相位角。

2 MMC電壓均衡控制

2.1 傳統調制均壓策略

應用于高壓大容量場合的MMC換流器通常每個橋臂由數百個功率模塊級聯，輸出電壓諧波含量非常小。因此調制和均壓算法的簡單性、快速性、能否占用較少的硬件資源成為更受關注的因素。相對于SVPWM、SHE等調制方法，最近電平逼近NLM（nearest level modulation）能夠有效降低開關器件的開關頻率且易于實現，因此在現有的MMC-HVDC工程中，通常采用NLM調制策略。電容電壓均衡控制則采用排序算法，其基本原理為：實時監測所有功率模塊電容電壓以及橋臂電流，同時對橋臂模塊電壓進行排序，再根據橋臂電流的方向選擇投入/切除的模塊；當電流為正時，選擇電壓最低的模塊投入，使電容充電，當電流為負時，選擇電壓最高的模塊投入，使電容放電，從而實現電容電壓均衡。以外環控制直流電壓為例，其閉環控制框圖如圖2所示。

圖2 MMC閉環控制框圖Fig.2 Closed loop control block diagram of MMC

在實際HVDC工程中MMC控制系統一般包括2部分：（1）換流器控制保護系統CCP（converter control protection），負責整個換流器宏觀電氣量，包括如交直流電壓、電流，有功、無功功率等；（2）功率模塊分組控制系統VGC（valve group control），負責換流器調制和功率模塊電容電壓均衡控制。由于MMC模塊數較多，排序算法會大大增加VGC處理器的運算量，增加硬件實現的難度。

2.2 分布式均壓控制策略

針對傳統電壓均衡策略存在的問題，提出一種改進的分布式電壓均衡控制策略。將MMC每橋臂N個功率模塊分為M組，第i個功率模塊分組對應其分組控制系統VGC_i。每個VGC_i負責該功率模塊分組的電壓均衡控制，根據橋臂所有功率模塊電容電壓平均值和各自功率模塊分組電容電壓平均值，動態分配每個功率模塊分組控制系統VGC_i所需導通的功率模塊的數量。

MMC采用NLM調制方法，根據式（3）計算出A相上下橋臂導通模塊數Non為

式中，Usm_av為功率模塊電容電壓平均值。同理可求得其他橋臂導通模塊數。因此，前M-1個功率模塊分組中第i個分組的導通模塊數Non_i為

式中：Narm_on為某一橋臂導通模塊數；Narm_all為橋臂總模塊數；Nall_i和Nfault_i分別為第i個功率模塊分組的總模塊數和故障模塊數，i=1,2,…,M-1。

為實現各模塊分組內電容電壓均衡，以橋臂電容電壓平均值為參考值，功率模塊分組電壓平均值為反饋值，閉環控制輸出值作為各分組導通模塊數的修正量?？刂瓶驁D如圖3所示，圖中Uc_arm為橋臂電容電壓平均值，Uc_i為第i分組電容電壓平均值。

圖3 分布式均壓控制框圖Fig.3 Distributed voltage balance control scheme

結合上述分析，第M個模塊分組導通數Non_M為

由此實現所有功率模塊分組導通模塊數的動態分配。以某單個橋臂為例，MMC分布式控制系統如圖4所示。該策略能夠實現換流器功率模塊電容電壓均衡算法的分布式運算，減小控制系統的運算負擔；此外，在功率模塊出現故障情況下，仍能維持健全模塊的電壓均衡控制，維持安全穩定運行，同時不影響整個換流器可冗余運行的功率模塊數量。

圖4 分布式均壓控制系統示意Fig.4 Sketch map of distributed voltage balance control system

3 仿真驗證

3.1 仿真模型及參數

為驗證本文提出的分布式調制均壓策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了MMC-HVDC系統如圖5所示，并進行仿真驗證。MMC仿真模型的控制系統見圖4，其中CCP采用閉環控制，控制目標為直流電壓和有功功率；VGC采用分布式調制均壓策略，每橋臂包含11個功率模塊分組控制系統VGC，各自對應40個功率模塊。仿真系統采用數字控制，模型參數如表1所示。

圖5 MMC-HVDC仿真系統Fig.5 Simulation system of MMC-HVDC

表1 仿真模型參數Tab.1 Parameters of simulation system

3.2 仿真驗證

MMC系統正常運行于功率傳輸模式，其中換流站1控制直流母線電壓，換流站2控制有功功率，傳輸有功功率500 MW，無功功率250 Mvar。

仿真實驗結果如圖6所示。以換流站1為例，有功功率和直流母線電壓如圖6（a）所示。換流站1向交流側輸出有功功率486 MW，吸收無功功率243 Mvar。此時換流站2向交流側吸收有功功率500 MW，HVDC系統損耗14 MW。換流站1的交流側電流峰值約為1 200 A，A相橋臂電流和模塊電壓如圖6（b）、圖6（c）所示。以功率模塊分組控制系統VGC_1和VGC_2為例，由圖6（d）和圖6（e）可見，每個功率模塊分組內部電容電壓均衡效果良好，模塊電壓平均值為1 600 V，電壓波動范圍約為±70 V；不同功率模塊分組的電容電壓值基本相同。由此可得，橋臂內所有功率模塊電容電壓均衡效果良好且各組模塊電壓維持穩定一致。仿真實驗結果可以驗證，在直流電壓/有功功率閉環控制下，MMC-HVDC系統能夠穩定運行并完成功率傳輸，直流母線電壓穩定在額定值700 kV。在本文提出的分布式調制均壓策略下，控制系統能夠實現橋臂級聯功率模塊的電容電壓均衡穩定，為MMC的安全穩定運行提供了條件。

圖6 仿真實驗波形Fig.6 Waveforms of simulation results

4 結語

本文對采用最近電平逼近調制策略的MMC均壓控制進行改進，提出一種分布式電壓均衡調制策略。該策略能有效降低換流器控制系統的運算負荷，降低了硬件實現難度；同時，保證MMC所有冗余模塊均具備故障冗余能力。PSCAD仿真分析表明，本文提出的分布式調制均壓策略是可靠有效的，在有效降低控制系統處理器運算量的前提下能夠滿足HVDC系統的安全穩定運行。

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羅永捷

張波

作者簡介：

張波（1962-），男，通信作者，博士，教授、博士生導師，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail:epbzhang@scut.edu.cn。

丘東元（1972-），女，博士，教授，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail:ep dyqiu@scut.edu.cn。

付堅（1991-），男，碩士，研究方向：高壓變換器，E-mail:819057168@qq.com。

A Distributed Control Method for Voltage Balancing in Modular Multilevel Converters

LUO Yongjie1,2,LI Zixin1,LI Yaohua1,WANG Ping1
（1.Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive,Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China）

The number of power modules in a modular multilevel converter（MMC）for HVDC transmission system is typically more than one hundred,and the large number of modules creates a computational challenge for processer of voltage balance controller.To deal with this problem,firstly,a distributed control method for voltage balancing is presented,which can reduce the amount of computation.Then,in this method,all modules in arm are selected in several groups and the average voltages of the arm and the groups are used to build a closed control loop.What is more,the redundancy capability of MMC will not be lower with this strategy.A MMC based HVDC simulation system is developed. Simulation results validate the auuray and the effectiveness of the presented method.

high voltage direct current transmission;modular multilevel converter（MMC）;voltage balance method; distributed control;redundant module

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.77

：TM 46

：A

羅永捷（1988-），男，通信作者，博士研究生，研究方向為模塊化多電平換流器和柔性直流輸電，E-mail:luoyongjie@ mail.iee.ac.cn。

李子欣（1981-），男，博士，副研究員，研究方向為電力電子變流系統，E-mail:lzx@mail.iee.ac.cn。

李耀華（1966-），男，博士，研究員，研究方向為電力電子變流技術，電機分析與控制技術等，E-mail:yhli@mail.iee.ac.cn。

王平（1955-），男，高級工程師，研究方向為電力電子，E-mail:wangping@mail. iee.ac.cn。

2015-07-10

國家高技術研究發展計劃（863計劃）課題“交直流混合配電網關鍵技術”（2015AA050102）

Project Supported by the National High Technology Research and Development Program（863Program）（2015AA050102）