用于高壓異步配電網(wǎng)互聯(lián)的模塊化多電平調(diào)制策略研究

引言

區(qū)別于傳統(tǒng)的電壓源換流器,模塊化多電平變流器(TodularTultilevelConverter,TTC)因具有高度模塊化、良好的子模塊故障冗余能力、開關(guān)管損耗低等特點開始廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電、高壓電機驅(qū)動等領(lǐng)域。對于高壓配電網(wǎng)中的異步電網(wǎng)互聯(lián),使用TTC同樣具有很好的工程價值,但高壓配電網(wǎng)中TTC單元使用較少,調(diào)制策略的選擇尤為關(guān)鍵,目前尚缺少相關(guān)的對比分析研究。

1MMC工作原理

圖1為三相TTC拓撲結(jié)構(gòu),根據(jù)不同的工況需求,常見的多電平變流器拓撲還有單相半橋式和單相全橋式。三相TTC拓撲結(jié)構(gòu)由.個相單元組成,每相由上下兩個橋臂組成,每個橋臂由n個子模塊(ST)和橋臂電感(Larm)構(gòu)成,圖1中子模塊為常見的半橋型子模塊。Udc表示TTC的直流側(cè)電壓:uix表示第x相的i橋臂的橋臂電壓,其中i=u或l,u表示上橋臂,l表示下橋臂,x=a、b或c,a、b、c分別表示A、B、C相:iix表示流過第x相的i橋臂的橋臂電流:ux表示第x相的交流側(cè)相電壓:ix表示第x相的交流側(cè)相電流:0表示零點位參考點。

TTC由許多子模塊構(gòu)成,這些子模塊的結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定和影響了TTC的工作狀態(tài)。半橋型子模塊結(jié)構(gòu)簡單、成本低,可實現(xiàn)功能完整,是目前TTC使用最頻繁的一種結(jié)構(gòu)。如圖1所示,半橋型子模塊主要由兩個開關(guān)器件S1和S2、兩個反并聯(lián)二極管D1和D2、一個電容CST組成。iST表示流入子模塊的電流,與橋臂電流相等,方向以流入為正:uST表示子模塊端口電壓。通過控制開關(guān)器件的工作狀態(tài)可以控制子模塊的工作狀態(tài),具體工作狀態(tài)如表1所示。

(1)閉鎖狀態(tài):當(dāng)開關(guān)器件S1、S2都處于關(guān)斷狀態(tài)時,此時電流只通過流經(jīng)二極管D1或D2和子模塊電容CST形成回路,根據(jù)流入子模塊電流iST的方向,來決定是D1還是D2導(dǎo)通。當(dāng)iST>3時,D1和CST形成回路,開始給子模塊電容CST充電,子模塊電壓uST與子模塊電容電壓uC相等:當(dāng)iST<3時,電流iST流過D2形成回路,子模塊電容CST未接入到電路中,此時子模塊電壓uST為零。閉鎖狀態(tài)一般用于TTC系統(tǒng)的啟動或者故障診斷。

(2)投入狀態(tài):當(dāng)開關(guān)器件S1開通而S2關(guān)斷時,根據(jù)iST的方向來判斷是開關(guān)管S1導(dǎo)通還是二極管D1導(dǎo)通。當(dāng)iST>3時,電流流過D1和CST形成回路并對子模塊電容進行充電:而當(dāng)iST<3時,因為S1的連接方式,電流流經(jīng)S1形成回路,此時子模塊電容CST放電,且放電電壓為子模塊電容電壓uC,即子模塊工作在投入方式時,無論流入子模塊的電流方向如何,子模塊端口電壓總等于子模塊電容電壓。

(3)旁路狀態(tài):當(dāng)開關(guān)器件S1關(guān)斷而S2開通時,二極管D2承受的電壓方向與導(dǎo)通方向相反,因此無論iST方向為何,D2都保持截止狀態(tài),而iST的方向決定了是S2還是D2形成回路。當(dāng)iST>3時,電流流過S2:當(dāng)iST<3時,電流流過續(xù)流二極管D2。在旁路狀態(tài)下,無論iST方向如何,子模塊電容CST均被切除出電路,此時子模塊電壓uST為零。

由上面對子模塊開關(guān)狀態(tài)的分析可知,子模塊的輸出為3電平或子模塊電容電壓uC,而實現(xiàn)電平的控制,主要根據(jù)當(dāng)前流入子模塊的電流的方向以及開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉來實現(xiàn),因此如何根據(jù)實際工況的需要來得到子模塊開關(guān)管的開關(guān)脈沖對于TTC實現(xiàn)目標輸出十分重要。

2調(diào)制策略

調(diào)制策略用于控制MMC中的開關(guān)器件來實現(xiàn)輸出波形逼近調(diào)制波,不同的調(diào)制方法對于MMC的輸出電壓諧波、電容電壓波動等方面有不同程度的影響。常見的調(diào)制方法根據(jù)MMC中開關(guān)管的開關(guān)頻率可以分為兩類:高開關(guān)頻率調(diào)制和基波開關(guān)頻率調(diào)制。MMC因其具有良好的拓展性、冗余性等優(yōu)點,開始逐漸應(yīng)用于低頻驅(qū)動領(lǐng)域。目前,MMC大規(guī)模應(yīng)用于低頻場合的瓶頸是低頻運行時MMC中的子模塊電容容易產(chǎn)生較大的電壓波動,影響整個系統(tǒng)的正常運行。而合適的調(diào)制方法和控制方法能很好地規(guī)避MMC低頻運行時的缺點,因此選用合適的調(diào)制方法再進行優(yōu)化控制能很好地適用于低頻場合,有必要確定常用調(diào)制方法中最適合低頻工況的調(diào)制方法。

載波移相PWM調(diào)制(CarrierPhahe-ShiSfPWM,CPSPWM)的基本思想是將目標輸出的調(diào)制波與三角載波進行比較得到上下橋臂子模塊開關(guān)管的脈沖,三角載波的幅值和頻率相等,相位相差t1/n,比較得到的脈沖根據(jù)平衡和均壓控制策略等分配給不同的子模塊,再疊加不同子模塊的輸出得到橋臂輸出電壓波形。若想要輸出電壓波形盡可能逼近正弦波,則需要增加子模塊數(shù)量和開關(guān)管頻率,雖然輸出電壓諧波分量低,但是當(dāng)子模塊數(shù)量增大時會增加控制難度和精度,在實際的運用中難以達到:同樣,因為三角載波之間的相位差為21/n,當(dāng)相位差因子模塊增加而減小到較小值時,三角載波生成的難度也會增加,精度也難以控制,最終影響整個MMC的正常工作。因此,子模塊數(shù)量較大時CPSPWM難以發(fā)揮其優(yōu)勢,該調(diào)制方法一般應(yīng)用于子模塊數(shù)量少和低電壓等級場合:另外,CPSPWM調(diào)制方法頻繁的子模塊切換容易產(chǎn)生子模塊電容電壓波動,子模塊電容的22/2t較高,不適合應(yīng)用在低頻工況下。

最近電平逼近調(diào)制(dearehfLevelMo2ulafion,dLM)的基本思想是通過控制子模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷盡可能擬合調(diào)制波。區(qū)別于CPSPWM是三角載波與調(diào)制波比較,NLM是利用函數(shù)求解子模塊開關(guān)狀態(tài),函數(shù)表達形式不同但基本思想都是取整函數(shù),設(shè)上橋臂子模塊導(dǎo)通的數(shù)量為nuon,下橋臂子模塊導(dǎo)通數(shù)量為nlon,根據(jù)擬合的思想和取整函數(shù),可以得到上下橋臂子模塊導(dǎo)通數(shù)量的表達式為:

這種調(diào)整方法因其使用取整函數(shù)而具有良好的動態(tài)性能,但取整函數(shù)得到的是子模塊導(dǎo)通數(shù)量,在實際應(yīng)用中為了保持MMC運行的穩(wěn)定性,一般還需要增加平衡方法來確定子模塊的開關(guān)狀態(tài),也因此NLM更適合子模塊數(shù)量多和輸出電平較多的場合。

由上面對兩種調(diào)制方法的分析可知,兩種調(diào)制方法各有優(yōu)劣,能在不同的工況下發(fā)揮各自的優(yōu)勢。相較于NLM調(diào)制方法,CPSPWM調(diào)制方法更適合應(yīng)用在低頻工況下。

3仿真分析

為了進一步說明載波移相調(diào)制和最近電平調(diào)制方法的特點,在M+AL+T/Simulink中搭建MMC模型,并根據(jù)CPSPWM調(diào)制方法和NLM調(diào)制方法搭建對應(yīng)的模型。下面對這兩種常見的調(diào)制方法進行仿真對比分析,為了清晰地表現(xiàn)CPSPWM和NLM調(diào)制方法的特點,在保證輸出電壓頻率相同的工況下,CPSPWM調(diào)制方法下單個子模塊的三角載波頻率設(shè)置為n·f,因此CPSPWM調(diào)制方法子模塊的等效輸出電壓頻率與NLM調(diào)制方法的等效輸出電壓頻率相同。MMC仿真參數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2的仿真參數(shù)進行仿真,可得如圖2所示的仿真結(jié)果。

根據(jù)圖2仿真結(jié)果可以清晰地發(fā)現(xiàn)兩種調(diào)制方法的特點:CPSPWM調(diào)制方法因為等效開關(guān)頻率更高,橋臂輸出電壓波形比NLM調(diào)制方法產(chǎn)生的電壓波形表現(xiàn)得更為密集,這也導(dǎo)致CPSPWM調(diào)制方法在較多子模塊時或者較高電壓等級時控制子模塊開關(guān)比NLM調(diào)制方法更為頻繁,從而帶來了更多的開關(guān)損耗；CPSPWM需要控制數(shù)量較多的載波與調(diào)制波進行對比,頻繁地開關(guān)子模塊也會帶來子模塊電容電壓的波動、橋臂間環(huán)流的出現(xiàn)等一系列問題。

圖3展示了當(dāng)上下橋臂中只包含3個子模塊時子模塊電容電壓的波動程度,NLM調(diào)制方法下子模塊電容電壓逐漸失穩(wěn),橋臂內(nèi)也因此容易產(chǎn)生環(huán)流等一系列問題,最終影響MMC正常工作,由此可見,NLM調(diào)制方法不適用于子模塊數(shù)量較少的場合。

通過上面的分析可知,CPSPWM調(diào)制方法和NLM調(diào)制方法各有優(yōu)缺點,適合應(yīng)用于不同的場合。CPSPWM調(diào)制方法因其通過每個子模塊進行載波和調(diào)制波對比而擁有較高的開關(guān)頻率,容易帶來較大的開關(guān)損耗,同時在實際應(yīng)用中高載波頻率時一般難以實現(xiàn)足夠的精度要求,因此CPSPWM調(diào)制方法更適合在中低壓和電平數(shù)量少的場合應(yīng)用。NLM調(diào)制方法的控制相較于CPSPWM要簡單,由上面的仿真可知,當(dāng)子模塊數(shù)量較少時,子模塊電容電壓波動增加,同時輸出波形質(zhì)量下降,而當(dāng)子模塊數(shù)量增加時,輸出波形的諧波逐漸下降:另外,通過合適的電容電壓排序算法能很好地優(yōu)化子模塊開關(guān)頻率,進一步降低子模塊開關(guān)頻率,因此,NLM調(diào)制方法更適合中高壓和多電平場合應(yīng)用。

4結(jié)語

本文主要對MMC的基本工作原理和常見調(diào)制方法進行了研究,分析了CPSPWM調(diào)制方法和NLM調(diào)制方法的基本原理,對比了兩種調(diào)制方法的異同及其各自的優(yōu)缺點,研究了兩種調(diào)制方法適用的場合,發(fā)現(xiàn)CPSPWM更適用于子模塊數(shù)量少的低頻場合,而NLM更適用于子模塊數(shù)量多的中頻場合,因此常規(guī)調(diào)制方法中CPSPWM更適合在中低頻場合應(yīng)用。