附加Buck斬波控制的半橋型MMC融冰系統協同控制策略

朱旭東，李紅穎，連興文，徐根堂，成龍，辛業春

(1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明650217；2.現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學)，吉林 吉林132012)

0 引言

受冰凍積雪天氣影響，輸電線路覆冰容易導致斷線、塔倒等事故，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行[1-3]。為有效應對冰雪災害，除冰和融冰技術受到了廣泛關注。目前最有效的方法是安裝直流融冰裝置使線路發熱融化覆冰，這種方法損耗小，速度快，工程實施效果好[4-6]。

直流融冰裝置主要可以分為二極管不控整流型、LCC型和MMC型3種。前兩種融冰裝置運行時會消耗大量無功功率，產生高次諧波，需要配備無功補償和濾波裝置，而且需要配置體積龐大的專業多繞組變壓器[7-10]，不適合作移動裝置且利用率低。MMC型[11-12]具有開關頻率低、效率高、易于模塊化和諧波小等優點。其做融冰設備不用裝濾波器，體積小。還可以在不融冰時轉換為靜態同步無功功率補償器使用[13-14]，且融冰和無功補償兩種工作模式的轉換方式簡單。

目前對融冰裝置的研究多側重于實現其利用率的最大化，使一個裝置能作用于多條覆冰線路。文獻[15-16]采用全橋型MMC融冰裝置，利用全橋子模塊有“+、-、0”三電平的電壓特性，實現裝置直流電壓從0到額定電壓之間的調節，以滿足不同線路融冰時對直流電壓的要求，但裝置的器件成本及損耗較高[17]。文獻[18-19]提出的混合型MMC融冰裝置也能滿足直流電壓連續可調要求，且更經濟，但控制方式過于復雜。文獻[20]提出了一種晶閘管和全橋型MMC混合型融冰技術，通過兩者的協同配合提高融冰能力，MMC同時具備濾除諧波和補償無功的能力，但其操作困難，控制較復雜。

鑒于半橋型MMC所需功率器件數量少，運行損耗較低的優勢，將其應用于融冰系統中。為了實現直流電壓的寬范圍連續可調，本文提出了附加Buck斬波單元的半橋型MMC融冰系統及其協同控制策略。針對直流側不同融冰電流需求，提出了MMC橋臂電壓主動控制方法，即根據直流融冰電流要求獲取直流電壓參考值，進而改變子模塊投入數量，實現其直流出口電壓的自適應調整，并綜合考慮交流出口電壓要求及最大調制比約束，設計了其與直流側附加Buck斬波電路的協同配合方案，利用Buck斬波電路進一步擴大直流電壓調節范圍，在滿足不同線路融冰需求的同時保證交流側的電能質量。最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型驗證了所提協同控制策略的正確性和有效性。

1 附加Buck斬波電路的半橋型MMC融冰系統結構

附加Buck斬波電路的半橋型MMC直流融冰系統如圖1所示，包括半橋型MMC和Buck斬波電路兩個部分。半橋型MMC左側連接交流系統，右側經Buck斬波電路通過直流隔離開關(M1—M4)與需要除冰的輸電線路連接。融冰線路以純電阻等效，融冰線路電感很小可近似為0。

圖1 融冰系統與交流電網連接示意圖

2 半橋型MMC融冰裝置工作原理及控制策略

2.1 半橋型MMC融冰裝置拓撲結構

半橋型MMC及子模塊拓撲結構如圖2所示。共6個橋臂由相同數量和大小的HBSM組成和相同的電感L0級聯而成。HBSM由兩組IGBT(T1、T2)和二極管(D1、D2)反并聯后與直流電容C0并聯組成。工作時每相橋臂始終對稱，上、下橋臂HBSM投入個數之和相同，保證直流電壓穩定。

圖2 半橋型MMC拓撲結構

2.2 半橋型MMC直流融冰裝置橋臂電壓控制

當半橋型MMC直流融冰裝置作用于融冰線路時，由于不同線路的長度、溫度和電阻率等不同，需要的直流電壓也不同，因此融冰裝置應具備直流電壓連續可調的能力以滿足不同線路的融冰需求。

半橋型MMC每相橋臂電壓由直流分量和交流分量組成，具體如圖3所示。其穩態運行時，上下橋臂電壓為：

圖3 橋臂電壓組成分布圖

(1)

式中：N為每相橋臂子模塊數；Uup、Udown分別為上、下橋臂電壓；Vref為橋臂電壓交流分量標幺值。

根據圖3可以看出，通過改變半橋型MMC橋臂參考電壓可實現其直流側電壓的連續調節，具體調節過程可分為如下兩種情況：一種是對交流電壓沒有影響，如圖3(a)所示；另一種則會隨著直流電壓變化改變交流電壓，如圖3(b)所示，影響交流母線上連接的其他設備運行。綜上，針對半橋型MMC 的特點，提出僅降低直流分量的半橋型MMC橋臂電壓控制方法，在擴大融冰電壓范圍的同時保證交流側電能質量。

半橋型MMC的數學模型如式(2)—(4)所示。

(2)

vk=(uku-ukl)/2

(3)

m=2vm/Udc

(4)

式中：usk為交流側k(k= a, b, c)相電壓；isk為交流側k相電流；uku和ukl分別為k相上、下橋臂電壓；Rb為橋臂電阻值；m為半橋MMC正常運行時的調制比；vm為三相調制電壓vk峰值的平均值；Udc為直流電壓。

由式(2)—(3)可以看出，在裝置連接交流側電源usk不變的情況下，若控制目標isk不變，則調制電壓vk不變，vm也不變。由式(4)可知，此時MMC的Udc與m成反比。而半橋型MMC運行時m一般都會控制在0.8～0.9[21-23]，最大時為1。因此，為了維持MMC交流出口電壓不變，可通過判斷其調制比是否越限確定MMC直流出口電壓下限值，具體控制框圖如圖3所示。

半橋型MMC融冰裝置控制圖如圖4所示，在基本雙閉環控制中引入直流電流控制環節和最大調制比判斷環節?？刂频哪康氖峭ㄟ^改變HBSM投入數量來改變直流電壓，并且不影響交流母線電壓。

圖4 半橋型MMC融冰裝置控制系統

控制系統的流程如下。

1)引入直流電流控制環節，根據不同融冰線路對融冰電流的需求獲取直流電壓參考值，實現融冰線路電流的實時追蹤和準確控制，達到融冰效果。

2)設計根據直流電壓參考值變化調整橋臂電壓參考值，改變HBSM投入數量的方式來控制直流電壓輸出。實現直流電壓的降低。此時上、下橋臂投入子模塊數為：

(5)

式中：N為每相橋臂子模塊數量；Nup、Ndown分別為上、下橋臂投入子模塊數量；vv為調制波瞬時值；Uc為子模塊電容電壓平均值；round(·)為四舍五入取整；kt為瞬時調制比。此外，為了防止在減少子模塊投入個數時，使子模塊電容出現過電壓，外環有功類控制回路采用定子模塊電容電壓控制。

3)考慮到直流電壓參考值一直由直流電流控制器輸出，可能使直流電壓過小，超出裝置的調節裕度，影響橋臂交流分量。因此引入最大調制比判斷模塊，利用Udcref根據式(6)計算瞬時調制比kt，判斷kt值是否在m～1之間，若在此范圍內則采用直流電流控制器輸出的Udcref；若kt大于1，則將式(7)計算的最小直流電壓Udcmin設為Udcref，以保證其交流側的電能質量。因此，半橋型MMC受交流出口電壓和最大調制比約束，直流電壓調節范圍僅為15%左右，當融冰線路電壓要求低于該范圍時，則需要配合直流側附加Buck斬波電路擴大直流電壓調節范圍，滿足不同類型、長度線路的融冰需求。

kt=2vm/Udcref

(6)

Udcmin=2vm

(7)

3 Buck斬波電路工作原理及控制策略

3.1 Buck斬波電路拓撲結構及控制策略

Buck斬波電路的拓撲結構如圖5(a)所示，VT為多個全控型器件IGBT串聯；D1為多個續流二極管串聯；VT采用并聯RCD緩沖電路的方法進行均壓[24-25]。LC組成低通濾波；R為融冰線路等效電阻。工作原理如下。

圖5 Buck斬波電路拓撲結構及等效電路

1)如圖5(b)所示，當VT導通時，直流電壓Udcmin通過電感為融冰線路提供能量，同時為電容C1充電，D1反向截止，L1能量逐漸增加。電感的電流iL在0～ton內可看為線性增長，最大值為iLMAX。iL的增量為：

(8)

式中：I0為融冰線路電流；U0為線路兩端電壓；TS為VT的一個開斷周期；ton為VT導通時間；D為Buck斬波電路的占空比，且D=ton-TS。

2)如圖5(c)所示，當VT關斷時，iL不會突變，電感中能量通過D1導通續流，iL逐漸變小，此時融冰需要的能量由L1儲能提供。當iL下降到比融冰電流I0更小時，C1開始放電，使融冰線路電流I0和電壓U0保持不變。VT截止的時間為Ts-ton。iL近似呈線性減小，iL的減少量為：

(9)

當斬波電路穩定工作時，iL呈周期性變化，VT導通時iL與VT截止時的iL是相等的，即：

ΔiL+=ΔiL-

(10)

聯立式(8)、式(9)和式(10)可得：

U0=DUdcmin

(11)

由式(11)可知，改變Udcmin或者D能改變U0。對于Udcmin的調節已在2.2節說明，所以當Udcmin不變時，只能依靠改變D來實現對輸出電壓平均值U0的調節，進而改變融冰電流。

Buck斬波電路控制框圖如圖 6 所示，同樣經過直流電流控制環節得到Udcref，然后計算得到斬波控制量D，將其與相應移相角度的三角載波比較后得到斬波驅動脈沖，控制VT導通與關斷，進而實現覆冰線路電壓的連續調控。

圖6 Buck斬波電路控制框圖

3.2 Buck斬波電路參數設計

如果在TS時刻iL剛好降至0，則為iL連續的臨界狀態，這時I0和iL之間滿足：

ΔiL=2I0

(12)

聯合式(10)和式(12)，則有：

(13)

式中Lmin為L1的臨界參數值，但是在實際應用時一般取臨界值Lmin的1.2倍。由式(13)可知占空比D越小，Lmin越大。因此Lmin可以取一個相對較大的值，這樣可以增大輸出電壓范圍。

ΔU0為電容兩端電位差，取值一般小于U0的10%。ΔU0與其他參數的關系為：

(14)

根據式(14)可求得Buck斬波電路的電容為：

(15)

4 融冰系統協同控制策略及經濟性分析

4.1 附加Buck斬波的半橋型MMC融冰系統協同控制

前文所述兩種調壓方法增加了Buck斬波電路，要增加器件數量，導致設備成本上升。為降低成本，設計了兩者的協同控制策略。首先根據需求確認所需融冰電壓和電流，如果需要的電流電壓較大，則采用半橋型MMC橋臂電壓控制調壓；如果所需電流電壓較小，半橋型MMC無法適應融冰線路要求，則使用附加Buck斬波電路的半橋型MMC融冰裝置調壓，此時半橋型MMC運行在最小輸出電壓下，即最大調制比下，通過調整Buck斬波電路的占空比即可實現零起升壓/升流，最終使直流電壓穩定于目標電壓。因此，通過半橋MMC與Buck斬波電路的協調配合，可以實現直流電壓從0至額定值的連續調節，在滿足不同融冰電流需求的同時降低器件使用數量。其具體流程如圖7所示。

圖7 融冰流程圖

4.2 經濟性分析

為說明所提裝置的經濟性，在相同功能下將其與全橋型MMC和混合比例為1:1的混合橋型MMC融冰裝置做經濟性比較，分別從IGBT、二極管、電容等器件的使用情況進行對比。設工作電壓均為12.5 kV直流電壓，每個橋臂有18個子模塊(含冗余)。每個子模塊采用額定電壓為1.7 kV的IGBT器件、橋臂電感L0=0.003 185 H、子模塊電容C0=20 mF。Buck斬波電路采用15個額定電壓為1.7 kV的IGBT器件串聯，且每個IGBT需要1個RCD緩沖電路進行均壓(需要15個二極管，15個電阻，15個電容，電容和二極管配置同橋臂子模塊的配置相同，電阻要承受二極管釋放的能量)和5個額定電壓為3.6 kV二極管、以及1個大小為6 mH的電感，1個大小為150 μF的電容。MMC中總電容容量EC、Buck斬波電路中電容容量EB如式(16)—(17)所示。

EC=0.5×18×6×20 mF×(0.9 kV)2=0.875 MJ

(16)

EB=0.5×150 μF×(12.5×0.85)2+

0.5×15×20mF×(0.9 kV)2

=0.129 5 MJ

(17)

經上述分析計算，3種相同功能的融冰裝置所需器件數見表1，其中考慮了RCD緩沖電路使用器件個數?？梢钥闯鲈?種裝置中附加Buck斬波電路的半橋型MMC融冰裝置使用的IGBT和二極管器件數量最少，相較于混合橋型融冰裝置少了近1/3。雖然附加Buck斬波電路的半橋型MMC裝置增加了電容，但通過計算其容量并不大，所以其經濟性依舊優于其他兩種。

表1 同一條件下3種融冰方案所需器件數對比

5 仿真分析

為了驗證所提附加Buck斬波控制的半橋型MMC融冰系統的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了如圖1所示的直流融冰系統仿真模型。正常運行時，MMC連接變比為35 kV：6.5 kV變壓器的低壓側即6.5 kV側的直流電壓為12.5 kV，調制比m≈0.85，直流電流最大值為1.25 kA，R設為固定值10 Ω，上、下橋臂分別有18個子模塊(包含裕度)。Buck斬波電路中L1=6 mH，C1=150 μF。

5.1 橋臂電壓控制仿真分析

模型完成初始化后在0.5 s時啟動半橋型MMC，利用交流系統電壓對MMC進行不控整流充電，直至換流站直流側電壓達到交流系統線電壓的幅值。0.1 s后解鎖換流站進入可控充電階段，通過流入的功率進一步提升直流側電壓至參考值。在1.2 s時設置直流電流參考值從1.061 5 kA成比例增加至1.25 kA，結果如圖8(a)所示。圖8(b)中的直流電壓也隨之成比例變化，從10.61 5 kV上升到12.5 kV。從圖8(a)和(b)可以看出，在解鎖控制后，半橋型MMC融冰裝置可運行在10.615～12.5 kV中的任意值下。調制比約束在m

圖8 最大調制比控制下融冰線路運行特性

圖9為半橋型MMC融冰系統運行在不同直流電壓情況下MMC交流母線電壓總畸變率。

圖9 運行在不同電壓下的交流母線電壓總畸變率

可以明確看出在調制比限制下，只改變橋臂電壓直流分量，MMC交流母線諧波電壓畸變率很小，對電能質量基本沒有嚴重影響，因此半橋型MMC在橋臂電壓控制下既可以實現連續的直流電壓調節，又不影響交流母線的電能質量。

5.2 附加Buck斬波的融冰系統仿真分析

為驗證Buck斬波電路能夠在千瓦級電壓等級實現對電壓的控制，在MATLAB/Simulink中原半橋型MMC上加入Buck斬波電路，并合理設置電路參數，分析不同占空比下融冰系統的運行特性。

MMC出口直流電壓設置為MMC運行在調制比約束下的最小直流電壓Udcmin(10.615 kV)，并分別在占空比為0.8、0.5和0的情況下進行仿真，此時直流電壓分別為8.5、5.312 5、0 kV，其運行特性如圖10所示。

圖10 不同占空比D下Buck斬波電路的運行特性

圖10中分別給出了Buck斬波電路的PWM脈沖波形、融冰線路電壓電流以及MMC換流器出口電壓波形。由圖10可知，融冰線路電壓根據占空比呈線性變化，并且不影響MMC出口直流電壓，電壓一直維持在10.615 kV。由此，可以看出Buck斬波電路可在不影響MMC情況下實現對電壓的連續調控。

圖11為附加Buck斬波的半橋型MMC融冰系統在不同占空比運行下的MMC交流母線電壓總畸變率，從圖中可以看出畸變率不大，遠遠小于國家規定的電壓畸變指標，所以附加Buck斬波控制的融冰系統運行于不同占空比下都不會影響MMC交流側母線的電能質量。

圖11 Buck斬波不同占空比下MMC交流母線電壓畸變

6 結論

結合半橋型MMC與Buck斬波電路技術優勢，提出了附加Buck斬波的半橋型MMC直流融冰系統結構及其協同控制方法，實現了對融冰線路上電壓、電流的寬范圍連續調控，并得到如下結論：

1)在半橋型MMC中使用橋臂電壓控制，控制HBSM投入的數量，改變橋臂電壓直流分量，實現了直流出口電壓的自適應調整，其調節范圍在15%左右；

2)引入Buck斬波電路，并設計根據電流變化調節占空比的融冰線路電壓調控方法，增大了直流電壓調節范圍；

3)通過MMC橋臂電壓控制和Buck斬波控制的協調配合，可在實現直流電壓寬范圍連續可調的同時提升融冰系統的整體經濟性。