一種基于比例-諧振（PR）控制的MMC環(huán)流抑制策略

謝佩韋，楊 聰

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一種基于比例-諧振（PR）控制的MMC環(huán)流抑制策略

謝佩韋，楊 聰

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

環(huán)流是模塊化多電平變換器（MMC）的固有屬性，其存在讓子模塊電容電壓波動(dòng)幅度增大，并導(dǎo)致橋臂電流畸變且峰值增加，影響系統(tǒng)的運(yùn)行特性。傳統(tǒng)的基于二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的環(huán)流抑制策略控制環(huán)節(jié)繁瑣且有一定局限性。本文分析了一種基于比例-諧振（PR）控制的環(huán)流抑制策略，該策略控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)潔、適用于任意相數(shù)的MMC系統(tǒng)。最后通過Matlab/Simulink平臺(tái)上的仿真，證明了策略的有效性。

模塊化多電平變換器 環(huán)流 二倍頻負(fù)序坐標(biāo)變換 比例-諧振

0 引言

21世紀(jì)以來，電力電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，多電平變換器已日漸取代傳統(tǒng)的器件串并聯(lián)技術(shù)與多重化技術(shù)，成為高壓交直流輸電以及電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的新寵。目前，應(yīng)用最主流的多電平變換器拓?fù)溆卸O管鉗位型、電容鉗位型和級(jí)聯(lián)H橋型這三種結(jié)構(gòu)。

模塊化多電平變換器（MMC）是由德國(guó)科研學(xué)者R.Marquardt于2002年首次提出的一種新型的多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它相比于傳統(tǒng)的多電平變換器具有諸多的優(yōu)勢(shì)：省去了鉗位二極管和鉗位電容、無需體積笨重的多繞組變壓器、可以四象限運(yùn)行、高度模塊化設(shè)計(jì)、諧波特性好、不平衡工作能力強(qiáng)。MMC拓?fù)湟唤?jīng)提出，就得到了國(guó)內(nèi)外電力電子領(lǐng)域的密切關(guān)注。目前對(duì)MMC的研究方向主要集中在其調(diào)制手段、子模塊均壓策略以及環(huán)流抑制策略上。其中，如何在動(dòng)態(tài)過程中抑制MMC橋臂內(nèi)部流動(dòng)、呈二倍頻負(fù)序性質(zhì)的環(huán)流，是實(shí)現(xiàn)MMC應(yīng)用的重難點(diǎn)之一。

文獻(xiàn)[5]針對(duì)環(huán)流的性質(zhì)提出了一種基于二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的環(huán)流抑制策略，將MMC三相環(huán)流通過3/2坐標(biāo)變換成兩個(gè)直流量，再使用比例-積分（PI）控制器對(duì)其進(jìn)行抑制。但是這種策略控制電路較復(fù)雜，并且只能針對(duì)環(huán)流的二倍頻分量進(jìn)行抑制，另外其僅適用于三相MMC系統(tǒng)，具有一定的局限性。

本文提出了一種基于比例-諧振（PR）控制的環(huán)流抑制策略，這種策略不僅能對(duì)環(huán)流的主要諧波成份——二倍頻分量進(jìn)行抑制，還能對(duì)其他偶次諧波進(jìn)行抑制。除此之外，這種策略不含有坐標(biāo)變換以及相間解耦環(huán)節(jié)，相比于基于二倍頻負(fù)序坐標(biāo)變換的環(huán)流抑制策略，其控制電路得到了簡(jiǎn)化，系統(tǒng)運(yùn)算量得以減少。最后，這種策略不僅僅適用于三相的MMC系統(tǒng)，還適用于單相或是其他相的MMC系統(tǒng)。

1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1.1所示的是三相MMC逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該逆變器由三個(gè)完全一致的相單元構(gòu)成，每一相都并接于直流母線的兩端。MMC相單元又可以分為上、下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂包含N個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致的子模塊SM1～SMn和橋臂電感。表示MMC直流母線電壓，、表示流經(jīng)上、下橋臂的橋臂電流，、表示上、下橋臂子模塊電壓之和，、表示逆變側(cè)阻感負(fù)載。

圖1.1 三相MMC逆變器拓?fù)?/p>

圖1.2 MMC子模塊拓?fù)?/p>

MMC子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2所示，其由兩個(gè)加反并聯(lián)二極管的開關(guān)器件VT1、VT2和一個(gè)直流電容構(gòu)成，VT1、VT2互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)VT1開通VT2關(guān)斷時(shí)，子模塊投入工作，此時(shí)橋臂電流對(duì)子模塊進(jìn)行充電或放電；當(dāng)VT1關(guān)斷VT2開通時(shí)，子模塊不投入工作，子模塊電壓值不變。為保證MMC的輸出特性，在任一時(shí)刻上、下橋臂投入的子模塊數(shù)量之和應(yīng)為N。

2 傳統(tǒng)MMC環(huán)流抑制策略

傳統(tǒng)的MMC環(huán)流抑制策略是通過二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將MMC的三相二倍頻環(huán)流進(jìn)行3/2變換轉(zhuǎn)換成兩個(gè)直流量并加以抑制。如圖2所示的是基于二倍頻負(fù)序變換的環(huán)流抑制策略控制框圖。首先，根據(jù)MMC環(huán)流的定義，將上橋臂電流i和下橋臂電流i進(jìn)行加和再除以2得到三相環(huán)流i，再對(duì)環(huán)流i進(jìn)行二倍頻負(fù)序T/dq矩陣變換得到二倍頻環(huán)流在水平坐標(biāo)系軸上的分量i、i，為了達(dá)到抑制這兩個(gè)分量的目的，將水平坐標(biāo)系上的二倍頻環(huán)流參考量i、i均賦值為零，將實(shí)際量i、i和參考量i、i比較產(chǎn)生的差值信號(hào)進(jìn)行PI比例積分控制器調(diào)節(jié)。另外，為了解除水平坐標(biāo)系軸上的耦合關(guān)系，引入前饋分量2 wL進(jìn)行解耦，得到環(huán)流壓降在dq軸上的參考量U、U。最后對(duì)U、U進(jìn)行二倍頻負(fù)序T/acb矩陣反變換得到橋臂電壓參考波修正量U。

這種環(huán)流抑制策略的確能夠有效地對(duì)MMC環(huán)流的二倍頻分量進(jìn)行抑制，但其無法抑制環(huán)流的其他偶次分量。并且僅僅適用于三相系統(tǒng)，在單相或者更多相的系統(tǒng)上無法使用。

3 基于比例-積分（PR）控制的MMC環(huán)流抑制策略

比例-諧振（PR）控制的原理是PR控制器通過產(chǎn)生一個(gè)給定信號(hào)的極點(diǎn)，使得該信號(hào)的增益趨于無窮大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的無靜差追蹤。PR控制器由比例環(huán)節(jié)和諧振環(huán)節(jié)兩部分組成，其傳遞函數(shù)可表示為：

基于PR控制器設(shè)計(jì)的環(huán)流抑制策略如圖3所示：

圖3 基于比例-諧振（PR）控制器的環(huán)流抑制策略

其中，

在圖3所示的基于PR控制的環(huán)流抑制策略中，為了達(dá)到抑制環(huán)流的目的，我們令環(huán)流參考量i為0。環(huán)流實(shí)際值i與參考值i的誤差信號(hào)經(jīng)過PR控制器調(diào)節(jié)后得到參考波的修正量Uzj*。由于PR控制環(huán)節(jié)只在諧振頻率（）處具有很高的增益，而在其它頻率處的增益很小，所以只會(huì)抑制諧振頻率處的諧波，而對(duì)環(huán)流的直流分量并不會(huì)造成影響。針對(duì)環(huán)流中的各次偶次諧波，可以在PR控制環(huán)節(jié)中并行加入各個(gè)頻率的諧振器n，n=2,4,6…，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流各偶次分量的抑制。值得一提的是，由于環(huán)流各諧波分量隨著頻率的增加幅值逐漸減小，因此對(duì)于6次或是6次以上的的諧波其實(shí)是可以不予以考慮的。

基于PR控制的環(huán)流抑制策略不僅能對(duì)環(huán)流的二倍頻分量進(jìn)行抑制，還可以對(duì)其他偶次諧波進(jìn)行抑制。除此之外，這種策略不含有旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換及相間解耦環(huán)節(jié)，控制電路較為簡(jiǎn)化，系統(tǒng)運(yùn)算量得以減少。最后這種策略不僅僅適用于三相MMC系統(tǒng)，單相或是多相系統(tǒng)也同樣適用。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證這種基于PR控制的環(huán)流抑制策略的有效性，本文在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建了三相五電平的MMC模型，具體所用參數(shù)見表1所示。

以MMC的a相為例作分析，圖4所示的是未采用環(huán)流抑制策略時(shí)的a相環(huán)流波形，此時(shí)其峰峰值達(dá)到了8 A左右。圖5則是采用了上節(jié)分析的基于PR控制的環(huán)流抑制策略后的a相環(huán)流波形，其峰峰值從8 A左右被抑制到了1 A以內(nèi)，抑制效果明顯，證明了基于PR控制的環(huán)流抑制策略的有效性。

表1 MMC仿真參數(shù)

圖4 未采用環(huán)流抑制策略時(shí)的a相環(huán)流

圖6 未采用環(huán)流抑制策略時(shí)的a相橋臂電流

未采用環(huán)流抑制策略時(shí)的a相上、下橋臂電流波形如圖6所示，可以看到在沒有施加環(huán)流抑制策略時(shí)，橋臂電流會(huì)產(chǎn)生明顯的二倍頻畸變，這是環(huán)流的二倍頻分量疊加所致。圖7所示的則是施加基于PR控制的環(huán)流抑制策略后a相上、下橋臂電流波形，顯而易見的是，由于這種策略對(duì)環(huán)流的抑制作用，橋臂電流的二倍頻畸變得到修復(fù)，其波形更加接近于正弦波。

圖7 采用基于PR控制環(huán)流抑制策略后的a相橋臂電流

如圖8、圖9所示的是施加基于PR控制的環(huán)流抑制策略前后橋臂電流FFT分析結(jié)果。可以看出，在未施加環(huán)流抑制策略時(shí)，橋臂電流的二倍頻分量達(dá)到了近40％；而施加基于PR控制的環(huán)流抑制策略后，橋臂電流的二倍頻分量被抑制到了1％左右，幾乎消除了該分量，THD也從38.23％下降到了1.19％，基本無畸變。

圖8 未采用環(huán)流抑制策略a相橋臂電流FFT

5 結(jié)論

本文分析了一種基于比例-諧振（PR）控制的MMC環(huán)流抑制策略，無需繁瑣的坐標(biāo)變換和相間解耦環(huán)節(jié)，控制簡(jiǎn)單，只需加入諧振環(huán)節(jié)，就能對(duì)環(huán)流的各偶次分量加以有效地抑制。當(dāng)環(huán)流抑制后，橋臂電流的二倍頻畸變得到修復(fù)更加接近于正弦波，MMC輸出特性顯著提升。

圖9 采用環(huán)流抑制策略后a相橋臂電流FFT

[1] 楊曉峰. 模塊組合多電平變換器(MMC)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2011.

[2] 李永東, 依鵬. 大功率高性能逆變器技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 電氣傳動(dòng), 2000, (6): 3-8.

[3] Glinka M, Marquart R. A new AC/AC multilevel converter family[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(3): 662-669.

[4] 張建坡, 趙成勇. 模塊化多電平換流器環(huán)流及抑制策略研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(10): 328-336.

[5] 屠卿瑞, 徐政, 管敏淵, 鄭翔, 張靜. 模塊化多電平換流器環(huán)流抑制控制器設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010, 34(18): 57-61.

[6] 楊曉峰, 王曉鵬, 范文寶等. 模塊組合多電平變換器的環(huán)流模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(5): 21-27.

PR Based MMC Circulating Current Restraining Strategy

Xie Peiwei, Yang Cong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China）

TM72

A

1003-4862（2019）02-041-04

2018-09-12

謝佩韋（1991-），男，助理工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。E-mail: 2269677562@qq.com