模块化多电平变流器的直流电压控制方法

ＤＯＩ：１０．３７８５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—９７３Ｘ．２０１５．０９．０１８模块化多电平变流器的直流电压控制方法赵文（浙江大学健，杨昆，陈国柱电气工程学院，浙江杭州３１００２７）

摘要：针对模块化多电平变流器（ＭＭｃ）的直流侧电压启动不对称问题，分析该情况启动失败导致的原因．提出新的启动策略，该策略相对于传统的启动方法具有三相对称性好、速度快且不容易启动失败等优点．对模块化多电平变流器载波移相控制下直流电压的二级控制进行严格的数学建模，分别推导子模块电压平均控制和平衡控制环的传递函数，并介绍相应控制器的设计方法．利用Ｍａｔｌａｂ搭建仿真模型。验证了所提出启动策略、数学模型以及控制器参数设计的正确性．关键词：模块化多电平变流器（ＭＭＣ）；启动策略；载波移相控制；直流侧电压控制中图分类号：ＴＭ４０１文献标志码：Ａ文章编号：１００８—９７３Ｘ（２０１５）０９—１７４９一０６

ａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌＣ０ｎｖｅｒｔｅｒ

ＺＨＡＯＷｅｎ—ｊｉａｎ，ＹＡＮＧＫｕｎ，ＣＨＥＮＧｕｏ—ｚｈｕ（Ｄｅ户口ｒ￡ｍＰｎｆｏ，ＥＺＰｆｆｒｉｃｎＺＥ以ｇｉｎＰｅｒｉ行ｇ，Ｚ＾巧ｉｎ玎ｇＬｋｉｔ肥ｒｓｉ￡ｙ，Ｈｎ行ｇｚ矗ｏ“３１００２７，（Ｍｉ，ｚ口）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃａｕｓｅｓ

ｏｆｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｔａｒｔｆａｉｌｕｒｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｕｎｓｙｍｍｅｔｒｙｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｍｏｄ—

ｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＭＭＣ）ＤＣｖｏｌｔａｇｅｓｔａｒｔｉｎｇ．Ａｎｅｗｓｔａｒｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ—ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ，ｔｉｍｅｓａｖｉｎｇａｎｄｃａｎａｖｏｉｄｓｔａｒｔｆａ订ｕｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｐｒｅｃｉｓｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｄｕｃｅｄｆｏｒｔｈｅｓｕｂ—ｍｏｄｕｌｅｖｏｌｔａｇｅａｖｅｒａｇｅａｎｄｂａｌａｎｃｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆＭＭＣｉｎｔｈｅｍｏｄｕ—ｌａｔｉｏｎｏｆｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ（ＰＳＣ）．Ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｐａｒａｍ—

ｅｔｅｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＡｍｏｄｅｌｂｕｉｌｔｉｎＭａｔｌａｂｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉＩｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｔａｒｔｉｎｇ

ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒＤＣｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＭＭＣ）；ｓｔａｒｔｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙ；ｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ；ＤＣＶｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌ

模块化多电平变流器（ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎ—

ｖｅｒｔｅｒ，ＭＭＣ）于２００３年由德国学者提出，由于其采用模块化串联结构，具有有功功率和无功功率独立控制、输出电压电平数多（谐波含量低）、模块化设计、开关频率低和可向无源网络供电等优点口。７］，被认为是新一代轻型直流输电的发展方向，并在静止无功补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ）、电力拖动等领域得到应用，成为研究热点．ＭＭＣ直流侧电压即各个子模块的电容电压，保证直流电压稳定在设定值是ＭＭＣ正常运行的前提条件．ＭＭＣ直流电压的控制包括直流电压的建立和在正常工作状态下直流电压的稳定控制．直流电压的建立即ＭＭＣ直流侧的软启动过程，通常ＭＭＣ的直流启动分为不控启动和可控启动．周月宾等［８１提出了ＭＭＣ直流电压３步法的启动步骤并讨论了充电限流电阻的选取方法．孔明等［９１讨论了充电过程解锁时电流过冲的问题．Ｙａｎ等［１叩讨论了充电解锁过程中电流和电压的控制．但是，目前涉及

收稿日期：２０１４一０９—２８．浙江大学学报（工学版）网址：ｗｗｗ．ｊｏｕｒｎａｌｓ．ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ／ｅｎｇ基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７７１４７）；浙江省重点科技创新团队资助项目（２０１０Ｒ５００２１）．作者简介：赵文健（１９９１一），男，硕士生，从事多电平变流器研究．０ＲＣＩＤ：ＯｏｏＯ一０００２—５７３６—３４４９．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｊｚｈａｏｚｊｕ＠１６３．ｃｏ“通信联系人：陈国柱，男，教授，博导．ＯＲｃＩＤ：００００—ｏ００２—４５６５一０９０ｘ．Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｚｃｈｅｎ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据浙江大学学报（工学版）第４９卷

启动策略的文章较少．子模块电容电压的稳定即在ＭＭＣ正常工作中稳态或者动态情况下子模块电容电压的波动要保持在允许范围内．Ｍｅｓｈａｒｍ等ｕ１‘１４Ｊ

针对ＭＭＣ的控制提出了直接调制法和载波移相调制法，得到广泛的应用．直接调制在子模块数量较多时，实时监测子模块电压并排序需要占用大量的芯片内存，不如载波移相调制简单口５｜．载波移相调制具有子模块工作一致性好、等效开关频率高且子模块电压易于平衡的优点ｍ］．Ｈａｇｉｗａｒａ等［１７１针对载波移相调制的直流电压控制提出了双层控制理论，大量仿真和实验都证实了其可行性，但目前涉及双层控制理论中控制环节的建模和控制器相关参数设计的研究较少．本研究针对ＭＭＣ的直流电压启动过程提出一种新的启动策略．在不控整流之后，通过判断桥臂电流的方向，在桥臂电流与子模块电容电压为关联方向时，将子模块插入桥臂进行充电．同时，针对ＭＭＣ载波移相控的直流电压双层控制，进行严格的数学建模，推导子模块电压平均控制和平衡控制环的传递函数，分析相应控制器的参数设计方法．运用Ｍａｔｌａｂ软件搭建一个三相２４模块的逆变器，验证所提出的启动策略、数学模型以及控制器参数设计的正确性．

１ＭＭＣ直流电压的启动策略如图１所示为传统启动方法在某一时刻的电容充电电路（以每相４模块为例，加粗部分代表电流通路），Ｒ。。为充电限流电阻，ｊ。、ｊ。（ｚ—ａ，ｂ，ｃ）分别表示三相上、下桥臂电流，Ｓ。、Ｓ：为开关，设定Ｎ为桥臂子模块数目，启动阶段三相电压有效值为Ｕ。．由于限流电阻一般不大，其分压可以忽略，则不控启动最大可将每个子模块电压提升至Ｕ。／Ｎ．此后，须通过可控启动将子模块电压进一步提升至设定值．传统的启动方案把三相子模块依次编号为ＳＭ。。。～ＳＭ。Ｎ、ＳＭ叫～ＳＭ髓Ⅳ，从第一个子模块开始，先将其余子模块旁路，检测该子模块所在桥臂的电流方向．在电流大于零（参考图１中的规定方向）时，将该子模块插入桥臂进行充电；反之，则将其旁路．待该模块充至设定电压时，将其切出，选择下一个模块重复上述过程进行充电．图ｌ的等效电路图如图２所示，箭头表示当下各桥臂电流的方向，Ｃ是子模块电容，Ｌ表示桥臂电感，【，。、Ｕ。、己，。为三相电压．此时，电容的插入改变了三相负载的对称性，由于电容的电压方向与支路

图ｌ传统启动策略在某一时刻的电容充电电路图Ｆｉｇ．１ＣａｐａｃｌｔｙｃｈａｒｇｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＤＣ

ｓｔａｒｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ

上桥臂等效阻抗：

图２传统启动充电过程的等效电路图Ｆｉｇ．２Ｅｑｕａｌｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｏｆｃａｐａｃｉｔｙｃｈａｒｇｉｎｇｉｎｃｏｎ—

ｖｅｎｔｉｏｎａｌＤＣｓｔａｒｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ

的电流方向相反，而回路中电感、限流电阻的阻抗一般不大，电容电压会在回路中产生一个较大的等效负直流偏置．根据叠加原理，此时回路中的电流应该为三相交流电压和直流电容电压共同作用的结果．在电容产生的负偏置作用下，桥臂电流会整体下移至小于ｏ，按照启动策略控制将使电容旁路，无法继续充电，导致启动失败．本文提出一种新的启动策略，不控整流启动部分和传统方法一致．在可控启动部分，各桥臂充电过程相互独立，按启动流程执行，如图３所示．以子模块电容电压下降为正方向判断桥臂电流ｊ…，Ⅳ（以每相４模块为例，ｙ＝ｐ，ｎ；Ｎ＝１～４；各参数含义与前文一致）的正、负情况，当桥臂电流方向为正时，将

万方数据第９期赵文健，等：模块化多电平变流器的直流电压控制方法

图３本文提出启动策略的流程图Ｆｉｇ．３ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄＤＣｓｔａｒｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ

该桥臂第一个模块捕入电路，其他模块旁路，通过子模块开关信号对模块进行充电．在每个采样周期检测模块的直流侧电压（图３中的Ｕ．州），若其等于

或大于参考电压，则表示该模块充电完成，将其始终旁路，继续选择该桥臂的另一个子模块，重复上述过程直到所有子模块充电至设定值．如图４所示为该启动策略在某一时刻的电容充电状态电路图．由图可见，在所提出方法中的任意时刻，每相都有一个子模块电容插入在电路中，比传统方法逐个进行充电要快．同时，该方法具有良好的对称性并能有效避免启动失败．图５为图４的等效电路图．由图可见，此时各相都有一个电容插入充电，三相负载对称．按照叠加原理，各支路的电流等于三相交流电源和３个直流电容电压作用之和．由于３个电容电压对回路的作用效果可以相互抵消，不会出现传统方法中电容支路存在负直流偏置的问题，各相的电容可以正常充电至设定值．

２ＭＭＣ载波移相调制双层控制的建模及控制器设计在ＭＭＣ载波移相调制过程中，每个子模块有各自的载波和调制波独立进行调制．各子模块输出ＰＷＭ波叠加起来构成ＭＭＣ输出．载波移相调制下ＭＭＣ的直流电压通常分２层来控制，即子模块电压平均控制和子模块电压平衡控制．２．１电压平均控制建模子模块电压平均控制框图如图６所示．Ｋ，、Ｋ。

图４所提出启动策略在某一时刻的电容充电电路图Ｆｉｇ．４ＣａｐａｃｉｔｙｃｈａｒｇｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄＤＣｓｔａｒｔｉｎｇ

ｍｅｔｈｏｄ

ｉ工舞蔷莓聂；爵ｉｊ

图５所提出启动策略充电过程的等效电路图Ｆｉｇ．５Ｅｑｕａｌｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｏｆｃａｐａｃｉｔｙｃｈａｒｇｉｎｇｉｎｐｒｏ—ｐｏｓｅｄＤＣｓｔａｒｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ

图６子模块电压平均控制框图Ｆｉｇ．６Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｂ－ｍｏｄｕｌｅｖｏｌｔａｇｅａｖｅｒａｇｅｃｏｎｔｒ０１分别为电压外环控制器的比例和积分系数，Ｋ。为电流内环控制器的比例系数，【，二为子模块的设定电压，Ｕｓ。为实际某相所有子模块电压的平均值．ｉ：为环流指令，ｉ：为环流检测值，Ｕ孟为电压平均控制环输出，叠加到每个子模块的调制电压上．设ＭＭＣ直流侧电压为Ｅ，输出电压为Ｕ，则上桥臂子模块调制电压ＵＤ耐和下桥臂子模块调制电压Ｕ。ｔ分别为

万方数据