模塊化多電平變流器實驗樣機的設計

武 文，荊 龍，吳學智，苑曉垚

（1.北京交通大學國家能源主動配電網技術研發中心，北京100044；2.北京電動車輛協同創新中心，北京100044）

模塊化多電平變流器實驗樣機的設計

武 文1，荊 龍1，吳學智1，苑曉垚2

（1.北京交通大學國家能源主動配電網技術研發中心，北京100044；2.北京電動車輛協同創新中心，北京100044）

MMC已經成為工業界與學術界的研究熱點，仿真分析雖然靈活方便，但有時與實際工況存在差距。首先設計了三相9電平MMC實驗樣機；然后遵照模塊化的原則，設計了子模塊；控制系統使用分層的構架，實現了不同層級的控制與保護；再利用載波移相、電壓均衡控制及PR調節器實現了電容均壓及環流抑制。最后通過實驗驗證了樣機的性能。利用該平臺能夠為MMC的研究提供一個方便有效的手段。

模塊化多電平變流器（MMC）；實驗樣機；控制系統；子模塊

引言

伴隨大功率可關斷電力電子器件應用技術的迅猛發展，基于電壓源逆變器VSC（voltage source converter）的直流輸電技術逐漸被世界各國應用到輸配電網絡中［1-2］，在我國這種技術又被稱為柔性直流輸電技術。其中，基于模塊化多電平技術MMC（modular multilevel converter）拓撲結構的研究更是得到了國內外學者和工業界的青睞。因為傳統兩電平或者三電平VSC需要將多個電力電子器件直接串聯以達到所需電壓等級，不僅會在換流閥及與交流系統連接的電抗上產生較大的電壓、電流應力和電磁干擾，還會產生大量諧波［3］。而模塊化多電平換流器采用模塊化設計，不僅可以有效提高換流器承受的電壓等級，還可以避免上述兩電平和三電平VSC的不足［4］。

目前，針對MMC的研究工作主要側重于MMC的數學建模和控制策略的研究［5-8］，文獻［9］研究了MMC的硬件結構。但是，有時為了節約開發成本、縮短研究周期和一些實際條件的限制，對于一些研究結果的驗證多數情況下是通過仿真手段來實現的，而仿真結果往往會和實際情況有出入和差別。在此背景下，文中設計了1臺功率10 kVA的MMC實驗樣機，為有效地、正確地研究MMC系統特性提供一個實驗平臺，最后通過實驗驗證了該實驗樣機設計的合理性。

1 MMC拓撲結構和主電路

三相MMC拓撲結構如圖1所示，它由6個橋臂組成，其中每相包括上、下2個橋臂，每個橋臂由N個子模塊SM（sub-module）和1個橋臂電感串聯構成，上、下橋臂電感的連接點構成對應相橋臂的輸出端。子模塊SM由1個IGBT半橋和直流電容構成。它具有2種輸出電平，假設SM的電容電壓保持為E，當T1開通，T2關斷時，子模塊投入使用，輸出電壓為E；當 T1關斷，T2開通時，子模塊切除，輸出電壓為0，這樣子模塊通過一定規則的投切動作即可在交流側獲得多電平的輸出。

圖1 MMC拓撲結構Fig.1 Topology structure of MMC

圖2是MMC實驗樣機的主電路接線示意。為方便實驗接線與調試，MMC的交、直流側均連接至同一條380 V交流電源母線上：直流電源經調壓器、整流橋和濾波電容產生；交流側通過調壓器和隔離變壓器T接入MMC系統，圖中BK1與BK2分別是交、直流側的空氣開關，用來控制380 V交流電源的接入與切除。同時在直流側增設了2個熔斷器F1、F2來保護系統的安全運行，必要時可以防止故障范圍擴大，減小不必要的經濟損失。J1-J4均為接觸器，可由上層控制器直接控制，J1、J2用于交流側預充電控制，J3、J4用于直流側預充電控制。

圖2 MMC樣機系統主電路接線Fig.2 Main circuit configuration of prototype of MMC

2 子模塊單元設計

子模塊作為MMC系統的基本單元其地位非常關鍵，子模塊設計的成功與否直接關系到整個變流器性能的優劣。

本文在設計實驗裝置時，為了能夠更好地模擬應用，采用工程應用的集成控制器的子模塊設計思路，設計的子模塊單元的結構，如圖3所示。從圖3可以看出，子模塊電路結構主要分成2部分：功率電路和控制電路兩部分。右側為功率電路，左側為控制電路，然后通過光耦進行隔離，以避免功率部分的噪聲對控制電路產生影響。

功率電路的核心是由智能功率模塊IPM組成的半橋拓撲和直流電容，再加上外圍的吸收電路、采樣電路、放電電路、旁路電路以及電壓檢測電路等組成，實現了子模塊工作狀態檢測、電壓采樣和保護閉鎖等功能；控制電路的核心是可編程的CPLD，再配合外圍的接口電路、驅動電路、保護電路等實現子模塊的控制和保護功能，包括死區發生、IGBT的驅動和保護、狀態判斷和指示、子模塊旁路等。需要注意的是，保護電路一方面可以接收來自控制器的保護命令，向驅動電路發出封鎖信號，即為控制器保護（軟件保護）；另一方面可以判斷采樣電路發送來的電壓、電流信息若超過安全值，則向驅動電路發送封鎖信號，并產生故障事件發送給控制器，同時通過自身的邏輯電路判斷故障類型，等待控制器查詢，即為硬件保護。這兩套機制的組合使得子模塊既能夠迅速處理本地故障，并將故障事件上報控制器，又可以響應上層控制器發送的保護命令。

在設計上，控制電路和上級控制器沒有電氣上的聯系，通過光纖連接的形式使變流器總控制器和子模塊內的控制部分連接起來?？紤]到未來可能的功能拓展，在子模塊中預留了1路光纖接口和4路數字接口。圖4是子模塊實物，各部分電路在圖中已明確標出。

圖3 子模塊結構框圖Fig.3 Prototype of sub-module

圖4 子模塊電路板Fig.4 Sub-module card

3 控制系統設計

3.1 硬件系統結構設計

MMC樣機的整體控制系統如圖5所示，系統采用三層控制結構，分別通過人機界面系統、主控制器和子模塊控制器實現。這種改進的分層控制系統解決了傳統控制系統同步性以及可靠性較低等問題，能有效提高實驗裝置運行的效率的穩定性。

圖5 控制系統架構Fig.5 Architecture of control system

人機界面完成系統電壓電流等信號的顯示以及有功和無功的控制；主控系統MCS（main control system）接收上位機有功無功物理量等參考值，產生子模塊狀態控制信號（CTR）和PWM脈沖；子模塊控制器SMC（sub-module controller）完成PWM脈沖的分配以及保護。MCS采用雙DSP與雙FPGA，SMC的處理芯片為復雜可編程邏輯器件CPLD（complex programmable logic device）。具體各層之間的通信內容見表1。

表1 各層之間通信內容Tab.1 Communication contents between levels

3.2 控制策略設計

變流器網側采用網壓定向控制，定旋轉坐標系下d軸與電壓矢量重合，則MMC變換器在dq坐標系下的電流方程［10］為

功率方程為

式中：ed、eq為電網電壓在dq坐標系下分量；ud、uq為換流器網側輸出電壓在dq坐標系下分量；p為微分算子；P、Q為變流器輸出有功功率和無功功率。

圖6為控制策略實現框圖。外環控制器生成d軸和q軸電流參考值和參與電流解耦控制，電流內環控制引入電壓前饋項，提高了內環控制器跟蹤速度。內環電流解耦控制器的輸出量vrdef和vrqef為參考電壓的d軸、q軸分量，其經過反變換后得到期望變流器輸出的正弦參考電壓［11］。參考調制波加入電容電壓均衡和環流抑制策略疊加量，經過載波移向調制輸出PWM脈沖信號。

圖6 控制策略實現框圖Fig.6 Control strategy of MMC

本文MMC系統采用一種基于載波移相調制策略的閉環均壓控制策略［12］，包括每一相電容電壓平均控制和每個子模塊電容電壓平衡控制，具體控制框圖如圖7所示。電壓外環采用PI調節器，控制各相橋臂中直流電容電壓平均值跟蹤參考值；內環為環流控制，控制實際環流跟蹤環流參考值。子模塊電容電壓平衡控制采用每相橋臂的8個模塊電容電壓與模塊電容電壓參考值相比較，所得偏差經比例調節器P后，根據橋臂電流方向得到穩壓控制下的電容電壓修正量。

圖7 電容電壓均衡控制Fig.7 Balance control of capacity voltage

環流抑制策略的實現依靠2個部分：首先采用基于二階廣義積分器的方法對2倍頻分量進行提取，然后該交流分量與參考值作比較經過PR調節器后獲得用于抑制環流的調制波，再將其疊加到原有調制波上，從而可達到抑制環流的效果，為實現環流抑制的效果，環流指令icirref給定為0，具體控制策略框圖如圖8所示。

圖8 環流抑制策略Fig.8 Circulating current suppressing strategy

4 實驗驗證

4.1 MMC實驗樣機參數

為了測試設計的三相9電平MMC實驗樣機的特性，對其進行了實驗驗證。實驗樣機主電路參數如表2所示。實驗樣機圖如圖9所示。

表2 MMC樣機系統參數Tab.2 Power Circuit Parameters

圖9 10kVA MMC實驗樣機Fig.9 10 kVA MMC experimental protoptype

4.2 均壓與環流策略驗證

電容電壓平衡效果如圖10所示。從圖10中可以看出，t0時刻投入電容電壓控制策略后，每個子模塊的電壓波動較小，較好地實現了各個模塊電容電壓的平衡。圖11是電容電壓穩定后A相上下橋臂電流及環流波形，由圖可以發現，環流主要為2倍頻交流量成分，其疊加到橋臂上后增大了橋臂電流。而在t1時刻啟動環流抑制策略后環流成分基本消除，同時橋臂電流明顯減小。2次實驗通過均壓與環流抑制策略的實現不僅從表明了樣機結構設計合理性，還表明該樣機可以用來驗證MMC的控制手段是否有效。

圖10 電容電壓平衡效果Fig.10 Effectiveness of additional balancing control

圖11 環流抑制效果Fig.11 Effectiveness of circulating current suppressor

4.3 功率階躍實驗

在直流側電壓升至額定值650 V、交流側并網的條件下，通過給定有功電流指令和無功電流指令的變化，來完成功率的突變。圖中Ua是網側A相網壓，ia是A相輸出電流，iap與ian分別是A相上下橋臂電流。圖12為有功功率階躍實驗波形，t3時刻維持無功電流指令為0不變，有功電流指令由0 A突變到10 A，此時橋臂電流和輸出電流經過約0.08 s的暫態過程達到穩定。圖13為工況突變實驗波形。在t4時刻無功電流指令降為0，有功電流指令由0 A突變到-10 A，同樣經過一短時的暫態過程輸出電流與橋臂電流達到穩定。通過該功率階躍和工況突變實驗可以看出設計的MMC實驗樣機能夠在不同工況下實現穩定運行，進一步表明了樣機設計的合理性。

圖12 有功階躍波形Fig.12 Waveforms of active step power response

圖13 無功反轉波形Fig.13 Waveforms of reactive power inversion response

4 結語

針對MMC研制出了1臺三相9電平MMC實驗樣機。樣機的子模塊采用模塊化設計，使得維護更換極為方便，更增加了設計的簡單和使用的方便性，同時其自帶控制器的設計方案，使得子模塊的控制更加靈活，功能拓展性更巧，便于實現對故障子模塊故障定位。而樣機整個控制系統的設計采用三級分層控制，有效降低了主控制器與子模塊單元之間的通信壓力，提高了控制系統的可靠性與效率。最后在樣機上進行了一系列的穩態與動態實驗，實驗結果表明了實驗樣機各項性能符合設計要求，為MMC的特性與控制技術的研究提供一個可靠且有效的平臺。

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武文

石紹磊

作者簡介：

石紹磊（1991-），男，通信作者，碩士研究生。研究方向為模塊化多電平DC/ DC變換器，E-mail:373841185@qq.com。

李彬彬（1989-），男，博士研究生，研究方向為模塊化多電平變換器E-mail: libinbinhit@163.com。

張毅（1990-），男，碩士研究生。研究方向為模塊化多電平DC/DC變換器E-mail:zysean@163.com。

徐殿國（1960-），男，教授，博士生導師。研究方向為電力電子技術及應用、交流伺服控制系統、照明電子技術、機器人控制技術、電網品質控制技術、柔性直流輸電技術，新能源發電技術等，E-mail:xu diang@hit.edu.cn。

Design of Modular Multilevel Converter Prototype

WU Wen1,JING Long1,WU Xuezhi1,YUAN Xiaoyao2
（1.National Active Distribution Network Technology Research Center（NANTEC）,Beijing 100044,China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）

Modular multilevel converter（MMC）has become the industry and academia research focus.Although simulation is flexible,but sometimes there is a gap with the actual working conditions.First a prototype of MMC with nine level output voltages is designed and implemented.In accordance with the principle of modular designed sub-module,and control system using a layered architecture to achieve the different levels of control and protection,then use carrier phase shifting,voltage balanced control and PR control strategy achieve a capacitive pressure and circulation are suppressed. Experiment results show that the MMC prototype can run in the normal state,the power step respond is quick and verify the design of MMC prototype is reasonable.

modular multilevel converter（MMC）;experimental prototype;control prototype;sub-module

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.117

：TM 46

：A

武文（1992-），男，通信作者，碩士研究生，從事電力電子與柔性直流輸電研究，E-mail：14121482@bjtu.edu.cn。

荊龍（1977-），男，博士，講師，從事新能源發電與柔性直流輸電方向研究，E-mail：ljing@bjtu.edu.cn。

吳學智（1975-），男，博士，副教授，從事電力電子與新能源發電技術方向研究，E-mail：xzhwu@bjtu.edu.cn。

苑曉垚（1990-），男，碩士研究生，從事電力電子與柔性直流輸電方向研究，E-mail：13121496@bjtu.edu.cn。

2015-09-10

北京市科委資助項目（D141100001714001）

Project Supported by Programs of Science and Technology Commission Foundation of Beijing Province（D141100001714001）.