基于重疊電流法的AAMC電容電壓均衡策略

汪楓林， 王勤， 瞿亞運(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016)

基于重疊電流法的AAMC電容電壓均衡策略

汪楓林， 王勤， 瞿亞運
(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016)

介紹了橋臂交替導通多電平換流器(AAMC)的拓撲結(jié)構(gòu)及其工作原理。相比于傳統(tǒng)MMC而言，具有模塊數(shù)更少，沒有環(huán)流和能夠直流閉鎖等優(yōu)點，同時沒有增加開關損耗，故具有良好的發(fā)展前景。但AAMC在處理電容電壓均衡的問題上相比MMC而言更為困難。采用重疊電流的方法，通過配置橋臂電抗器，改變橋臂導通時間并加以額外的控制策略，最后實現(xiàn)電容電壓的均衡。在PSCAD/EMTDC平臺上建立了每個橋臂14個模塊的AAMC拓撲模型，通過仿真驗證了重疊電流法的有效性。

交替導通換流器；電容電壓均衡；重疊電流；橋臂電抗器；導通時間

0 引 言

傳統(tǒng)模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的相關技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，標準MMC采用半橋子模塊級聯(lián)的形式，方便控制，擴展性好，開關頻率低，但是難以應對直流故障，必須通過斷開交流測斷路器來進行故障清除，系統(tǒng)效率將會降低。如若采用全橋子模塊級聯(lián)的形式，該MMC具有了直流閉鎖能力因此可以處理直流故障，但同時大大增加了器件數(shù)量和運行損耗。針對以上情況，2010年ALSTOM公司提出了幾種結(jié)合以上兩種拓撲結(jié)構(gòu)特點的混合式換流器[1-2]。其中一種稱為橋臂交替導通換流器(Alternated Arm Multilevel Converter，簡稱AAMC)。該拓撲主要優(yōu)勢有兩個：一是節(jié)約了子模塊數(shù)，成本得到降低；二是具有處理直流側(cè)故障的能力[3-4]。因此該拓撲具有良好的應用前景。但維持運行過程中子模塊電容電壓的平衡變得更為困難。

本文分析了AAMC拓撲的運行原理，得到閥側(cè)交流電壓幅值和直流電壓必須滿足固定比例關系的結(jié)論。為消除該約束，使得AAMC能運行在更大范圍，本文采用了一種重疊電流的控制方法[5]，通過配置橋臂電抗器，延長橋臂的工作時間，以完成子模塊電容電壓的平衡。最后在PSCAD/EMTDC中進行了仿真驗證。

1 AAMC拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

圖1 橋臂交替導通換流器基本拓撲

AAMC基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。usa、usb、usc為交流網(wǎng)側(cè)電壓，Lsa、Lsb、Lsc為換流器出口電抗，vsa、vsb、vsc為交流閥側(cè)電壓，Cp和Cn為直流側(cè)分裂電容。值得說明的是，該拓撲有兩種工作模式，整流模式和逆變模式，在原理上是完全一樣的，僅僅是電壓電流正方向相反。故為了方便說明，本文均以整流模式為例進行分析。AAMC有兩個關鍵部分，由絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)串聯(lián)組成的橋臂導通開關(Director Switch，DS)和由全橋子模塊級聯(lián)而成的整形電路(Wave Shaping Circuit，WSC)。其中DS有多個IGBT串聯(lián)構(gòu)成。SM1，SM2，…，SMn為橋臂子模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為由4個IGBT構(gòu)成的全橋電路，C為電容，額定電壓Uc。

1.2 工作原理

正常運行的情況下，橋臂子模塊有三種工作狀態(tài)，具體情況如表1所示，“1”表示開通，“0”表示關斷。

表1 橋臂子模塊工作狀態(tài)

橋臂導通開關工作狀態(tài)如圖2所示，每相上下橋臂的開關各自導通半個周期，期間通過合理控制相應橋臂子模塊的投切個數(shù)，可以使得橋臂產(chǎn)生一組多電平階梯波ujk來逼近正弦波，當ujk滿足關系式:

(1)

圖2 開關狀態(tài)

直流側(cè)可以獲得穩(wěn)定的直流電壓，即可實現(xiàn)整流的目的[6]。

2 能量分析

假設所有器件均為理想狀態(tài)，以A相為例，有:

va(t)=Umsin(ωt)

(2)

ia(t)=Imsin(ωt-φ)

(3)

(4)

(5)

其中va(t)、ia(t)為閥側(cè)相電壓瞬時值、相電流瞬時值，Um、Im為相電壓幅值、相電流幅值，uap(t)、uan(t)為A相上、下橋臂整形電路兩端電壓。

(6)

iap(t)=ia(t)

(7)

整形電路的瞬時功率為：

Pap(t)=uap(t)iap(t)=

(8)

一個工頻周期內(nèi)流經(jīng)A相上橋臂整形電路的能量為：

(9)

3 重疊電流法

橋臂子模塊電容電壓是否均衡需要同時滿足內(nèi)部能量均衡和整體對外能量平衡。其中，內(nèi)部能量均衡可以沿用傳統(tǒng)MMC結(jié)構(gòu)所使用的電壓排序法。在解決對外能量平衡的問題上，本文采用了一種重疊電流的方法，其思路為在橋臂上配置電抗器，增加每個橋臂工作的時間，在這段時間內(nèi)加以控制使得每個周期內(nèi)橋臂和外界能量交換為零。

以A相為例，拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中Lap和Lan為橋臂電抗器。此時橋臂開關的導通開關狀態(tài)如圖4所示?？梢钥闯龃嬖趖s的時間，A相上下橋臂是同時開通的，這段時間內(nèi)拓撲的工作模式類似于傳統(tǒng)MMC拓撲，因此為了抑制環(huán)流，Lap和Lan是不可省略的[7]。為了避免ts內(nèi)有電流流過出口電抗Lsa進而影響到網(wǎng)側(cè)交流電流波形，可適當增加Lsa的電感值。ts內(nèi)相應橋臂的工作模式我們稱為重疊角模式。

圖3 配置橋臂電抗器的拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 重疊電流法下的A相橋臂導通開關狀態(tài)

在電壓調(diào)制方面，AAMC可以沿用傳統(tǒng)MMC的電壓調(diào)制策略。現(xiàn)在主流的調(diào)制方法有兩個方向：脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation，PWM)[8-9]和最近電平逼近(Nearest Level Control，NLC)[10-11]。前者波形質(zhì)量好但隨著電平數(shù)增多控制算法復雜度將會變大，后者隨著電平數(shù)增多波形質(zhì)量會提高且控制算法復雜度不變。本文選擇了更為合適的NLC調(diào)制法。

4 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC平臺搭建了14模塊的AAMC仿真模型，系統(tǒng)基本參數(shù)為網(wǎng)側(cè)交流電壓幅值為22 kV，交流網(wǎng)側(cè)電壓頻率為50 Hz，直流輸電額定電壓±20 kV，額定功率20 MW，子模塊電容值2 000 μF，子模塊電容初始電壓2 kV，直流側(cè)分裂電容2 000 μF，出口電抗0.05 H，橋臂電抗0.005 H。系統(tǒng)級控制采用了傳統(tǒng)的基于PQ分解法的內(nèi)環(huán)電流控制器，外環(huán)由直流電壓環(huán)和無功功率環(huán)控制。

4.1 電網(wǎng)電壓波動情況下的仿真

圖5(a)、圖5(b)、圖5(d)可以看出，在網(wǎng)側(cè)交流電壓波動的情況下，橋臂子模塊電容電壓均可以穩(wěn)定在期望值附近，并且波動很小(低于5%)，橋臂能量趨于平衡。圖5(c)、圖5(e)、圖5(f)中可以看出，在該控制方法下，網(wǎng)側(cè)電流和直流測電壓均沒有受到太大影響，波形質(zhì)量在可接受范圍之內(nèi)。

圖5 電網(wǎng)電壓波動情況下的仿真

圖6 功率指令變化下的仿真

4.2 功率指令變化下的仿真

在1 s時有功功率由1 pu(20 MW)降至0.5 pu(10 MW)。仿真結(jié)果如圖6所示。其中圖6(a)給出了橋臂子模塊電容電壓變化趨勢，圖6(b)和圖6(c)分別給出0.8 s至0.86 s內(nèi)和1.6 s至1.66 s內(nèi)子模塊電容電壓值的波形變化情況，圖6(d)和圖6(e)分別給出對應時間內(nèi)的網(wǎng)側(cè)交流電流波形。圖6(f)給出了直流電壓波形。

圖6(a)、圖6(b)、圖6(d)可以看出，在有功功率指令變化的情況下，橋臂子模塊電容電壓同樣可以穩(wěn)定在期望值附近，橋臂能量趨于平衡。圖6(c)、圖6(e)、圖6(f)中可以看出，在該控制方法下，網(wǎng)側(cè)電流和直流測電壓均沒有受到太大影響，波形質(zhì)量在可接受范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語

從AAMC的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，結(jié)合其運行機理，指出在能量平衡問題上所存在的難點。本文采用了重疊電流的控制方法，適量增加各橋臂的工作時間并加以控制，實現(xiàn)橋臂與外界能量交換為零，其對直流電壓和網(wǎng)側(cè)交流電流帶來的負面影響，通過合理的控制策略和加大出口電抗電感值，可以被降低到可接受范圍內(nèi)。配合傳統(tǒng)MMC的電壓排序法，最終實現(xiàn)橋臂內(nèi)部電容電壓均衡。文章最后通過仿真驗證了該方法的有效性。

[ 1 ] DAVIDSON C C, TRAINER D R. Innovative concepts for hybrid multi-level converters for HVDC power transmission[C]//AC and DC Power Transmission, 2010. ACDC. 9th IET International Conference on. IET, 2010: 1-5.

[ 2 ] TRAINER D R,CRITCHLEY D R, DAVIDSON C C, et al. A new hybrid voltage-sourced converter for HVDC power transmission[C]//CIGRE Session, Paris, France: CIGRE, 2010.

[ 3 ] 徐政, 屠卿瑞, 裘鵬. 從 2010 國際大電網(wǎng)會議看直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向[J]. 高電壓技術(shù), 2011,37(12): 3070-3077.

[ 4 ] 徐政, 陳海榮. 電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述[J]. 高電壓技術(shù), 2007, 33(1): 1-10.

[ 5 ] MERLIN M M C, GREEN T C,MITCHESON P D, et al. A new hybrid multi-level voltage-source converter with DC fault blocking capability[C]//AC and DC Power Transmission, 2010. ACDC. 9th IET International Conference on.IET,2010:1-5.

[ 6 ] 管敏淵, 徐政, 屠卿瑞, 等. 模塊化多電平換流器型直流輸電的調(diào)制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010，34(2): 48-52.

[ 7 ] 屠卿瑞, 徐政, 鄭翔, 等. 模塊化多電平換流器型直流輸電內(nèi)部環(huán)流機理分析[J]. 高電壓技術(shù), 2010,36(2): 547-552.

[ 8 ] OOI B T, WANG X. Boost-type PWM HVDC transmission system[J]. Power Delivery, IEEE Transactions on, 1991, 6(4): 1557-1563.

[ 9 ] OOI B T, WANG X. Voltage angle lock loop control of the boost type PWM converter for HVDC application[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 1990, 5(2): 229-235.

[10] 屠卿瑞, 徐政, 鄭翔, 等. 一種優(yōu)化的模塊化多電平換流器電壓均衡控制方法[J]. 電工技術(shù)學報, 2011, 26(5): 15-20.

[11] KOURO S, BERNAL R, MIRANDA H, et al. High-performance torque and flux control for multilevel inverter fed induction motors[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2007, 22(6):2116-2123.

AAMC Capacitor Voltage Balancing Strategy Base on Overlap Current

WANG Feng-lin，WANG Qin，QU Ya-yun
(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

This paper describes the topological structure and working principle of the alternate-arm multilevel converter (AAMC). As compared with conventional MMC, it offers some attractive features such as fewer modules, no loop current, DC blocking capacity and no additional switching loss, so that it has a good prospect for further development. However, in AAMC, it is more difficult to solve the problem of voltage balance among capacitors. Voltage balancing is finally realized in the overlap current method by using bridge arm inductors to change the conducting time of the arms and adopting an additional control strategy. An AAMC topological model with 14 modules in each arm is established on the PSCAD/EMTDC platform, and simulation results verify the effectiveness of the overlap current approach.

alternate-arm multilevel converter; capacitor voltage balance; overlap current; bridge arm inductor; conducting time

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.018

TM761

A

1000-3886(2015)05-0056-04

汪楓林(1990-)，男，江蘇靖江人，碩士生，主要研究領域為柔性直流輸電系統(tǒng)。 王勤(1967-)，男，江蘇江陰人，教授，主要研究領域為多輸入變換器電力電子變換以及新能源發(fā)電系統(tǒng)。

定稿日期: 2014-12-09