基于附加调制电压的链式逆变器直流电压平衡控制

罗　超，肖湘宁，陈　征，陶　顺

(1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室, 北京 102206；2. 国网节能服务有限公司，北京 100052)



基于附加调制电压的链式逆变器直流电压平衡控制

罗超1，肖湘宁1，陈征2，陶顺1

(1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室, 北京 102206；2. 国网节能服务有限公司，北京 100052)

首先推导了稳态情况下链式逆变器各子模块直流电容电压变化量与附加调制电压的数学关系式，揭示了基于附加调制电压的直流电压平衡控制策略的控制原理，并指出了其三种控制方式，对其控制复杂度、解耦特性、调节能力进行了分析。基于无功电流分量定向的附加调制电压的控制方式，分析了控制参数与均压效果的定量关系，给出了链式逆变器子模块直流电压均衡控制策略及控制参数的设计思路。最后，采用PSCAD/EMTDC建立了仿真模型，仿真结果表明了相关分析的正确性。

链式逆变器; 直流电压平衡; 附加调制电压; 无功电流定向；分层控制

0　引　言

电压源型逆变器技术在电力系统中有广泛的应用[1-4]。传统的普通换流器(两电平换流器)，由于其存在可靠性不高、电压波动大、谐波较多等问题，应用范围极其有限。为了进一步提高电力电子换流器处理较大功率的能力。国内外学者对换流器的拓扑学做出了大量探索，最具代表性的成果有多重化技术、组合换流器技术以及多电平换流器。目前，链式结构的逆变器(cascade multilevel inverter, CMI)技术日趋成熟，在无功补偿、电能质量控制等领域得到了广泛的运用。这种变换器输出波形具有较好的谐波频谱，且每个开关器件承受的电压应力较小，无需均压电路，可避免开关电压冲击过大所导致的各种问题。与传统多电平拓扑结构相比，具有易于模块化、可靠性高、可扩展性等优点。

链式逆变器的主要问题是各个子模块直流电容电压的不平衡问题。直流电容电压的不平衡会恶化输出电压的质量，引起开关损耗不平衡，严重情况会导致装置不能正常工作及器件过电压。因此，如何使各子模块电容上的电压保持均衡是装置安全可靠运行的关键。文献[5] 建立了链式STATCOM直流电容电压稳态数学模型，得到了影响电容电压平衡的各种因素，根据所得模型，分析了控制电容电压的各种手段，提出了一种基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法，然而该方法需要额外的辅助电路，增加了装置的体积和成本；近年来，采用装置自身的控制策略进行均压控制引起广大学者的关注[2-15]。文献[6]提出了一种通过脉冲循环来改变各子模块充放电过程实现均压的方法，由于未引入反馈控制，控制的鲁棒性较差；文献[7]采用控制各个子模块调制电压的相角的方法控制直流电压的平衡，但对于大容量逆变器，由于相角调节范围很小，调节能力十分有限，实际实现很困难；文献[8-9]提出了分层控制的直流电压均衡策略，但是未给出原理解释；文献[10-12]根据直流调制电压增量与子模块吸收有功的关系，提出了有功电压矢量叠加的直流电压均衡策略，同时考虑了各级控制的耦合特性；文献[13]建立了直流电压控制的小信号模型，根据调制电压增量与直流电压增量的传递函数关系，提出了各子模块直流电压均衡策略，并给出物理解释，但是该方法涉及的控制参数较多，实现较复杂，同时未考虑各控制之间的耦合特性；文献[14]提出基于正负序电流分离解耦控制的通用三级直流母线电压控制方法，但是该方法控制较复杂；文献[15]通过各子模块的调制比来调节各子模块的有功，从而达到直流电压控制的思路。在上述方法中，基于附加调制电压的均衡控制方法由于实现简单，解耦特性好，动态性能优良，已成为工业界广泛采用的方法。

然而，已有文献并未对子模块均压原理与参数设计进行全面的分析。本文在已有文献的基础上，详细推导了稳态情况下链式逆变器各子模块直流电容电压变化量与附加调制电压的数学关系式，揭示了直流电压平衡控制策略的控制原理，对比分析了常用的几种基于附加调制电压的控制方式；基于无功电流分量定向的附加调制电压控制策略，推导了控制参数与均压效果的定量关系，并给出了参数设计思路；基于PSCAD/EMTDC仿真模型，对相关分析的正确性进行了仿真验证。

1　基于附加调制电压的直流电压平衡控制

1.1基本控制原理与解耦特性

图1　链式STATCOM感性工作模式矢量图Fig.1　Vector diagram of inductive mode

输出电压、电流各量之间有如下关系：

(1)

单个子模块功率平衡关系式为

(2)

式中：pi、plossi、udci、Udci分别为第i个子模块吸收的有功、有功损耗及直流电压瞬时值和平均值。

根据图1，可以得到：

(3)

某一相整体有功与子模块直流电压的变化关系式为

(4)

同时有

(5)

式(1)～(5)给出了各量之间的约束关系。在进行电流控制时，由于各相输出电流由对应相各子模块总输出电压决定，而流过该相各子模块的电流是相同的，为了实现电流有功和无功、各子模块直流电压均衡控制与电流控制相互解耦，通常将各相子模块看成一个整体，得到总的调制电压参考量。

有功参考电流由整体直流电压控制环节决定，整体直流电压控制环节以相平均直流电压udcave为控制目标，其有功调节量与直流电压调节量之间的关系式近似为为

(6)

式中：Udcave为udcave的平均值，稳态情况下等于直流电压参考值Udcref。

根据约束条件(4)可得：

(7)

理想情况下，若各子模块所有参数完全一致，则由(2)和(7)可知，各子模块电压稳态值时应与直流电压参考值相等。然而，由于并联损耗、开关损耗、调制比、脉冲延时的差异，必然导致各模块吸收有功和有功损耗的不一致，因而即使平均电压能够稳定在参考值，但各子模块电压仍然是不平衡的。

(8)

(2)γ角不变，调节调制比[16]，即调制电压幅值Ufi，如(9)所示，由于ΔUfi可调范围较小，同时γ值较小，因此该方法调节能力也十分有限，同样难以实现各控制环节的解耦。

(9)

(10)

(11)

(12)

图2　附加调制电压的原理示意图Fig.2　Schematic diagram of superimposed modulating voltage

对应的矢量原理图如图2(a)～(c)所示。

(13)

因此，为了避免附加调制电压对输出电流产生影响，即实现电流控制与各子模块均压控制之间的解耦，附加调制电压应该满足：

(14)

进一步，将式(14)带入式(5)，可得到附加调制电压引起总有功的变化量为

(15)

式(15)表明，若附加调制电压满足式(14)，不会引起总有功的变化，只是将总吸收有功在各子模块间重新分配，即同时可实现各子模块均压控制与整体直流电压控制的解耦。

1.2基于附加调制电压的调节能力分析

由于附加调制电压的引入在一定程度上会恶化输出电压质量，因此，在相同有功调节量的附加调制电压调节量下应该使附加调制电压尽量小，或者说相同附加调制电压能够产生的有功调节量尽量大，即调节能力更强。根据(10)～(12)式，三种方法可得产生相同Δpi所需的附加调制电压值分别为

(16)

通常，正常运行时装置吸收有功较小，Icd值很小，因此，基于有功电流定向的方法调节能力十分有限，较少采用；基于无功电流定向的方法调节能力取决于输出无功电流Icq的大小，因此，采用此方法需要保证输出一定的无功，输出无功越大，调节能力越强；基于输出电流定向的方法调节能力最强，当输出无功范围达到一定范围，Icq≫Icd，Icq≈Ic，基于无功电流定向的方法与该方法调节能力接近。

图3　不同控制方式下的调节范围Fig.3　Adjustable range of different control mode

(1)总调制电压在最大输出电压范围内，即在两段弧AB包围的范围内；

(2)各子模块吸收有功功率，即与输出电流的夹角大于90°，因此，应在平行线MQ和NP内。

(17)

进一步可得两种方式的最大功率调节量之比为

(18)

即两种方式的调节范围相同。采用基于输出电流定向的控制方法有两种实现方式：(1)以输出基波电流为参考，如文献[9]，这种方法实时获取输出电流的相位角度，因此增加控制的复杂性，引入了新的动态环节；(2)以输出全电流为参考，如文献[10-11]，避免了动态问题，但是该方法一方面会将输出电流的谐波引入到附加调制电压中，在一定程度上会恶化输出电压质量，尤其当输出电流较小时；另一方面，输出电流变化时会引起附加调制电压的变化。而基于无功电流定向的附加调制电压的控制方法只需以PCC点电压相位为参考即可，附加调制电压大小只与增益相关。

2　基于无功电流矢量定向的附加调制电压控制策略分析

根据前节的分析，本文采用基于无功电流定向的直流电压分层控制策略。上层以相平均直流电压udc_ave为控制目标，得到有功电流参考值；下层以各子模块直流电压为控制目标，得到附加调制电压参考值，下层控制基于式(14)实现各控制之间的解耦,整体调制电压由电流内环控制得到。A相控制框图如图4所示。

为了控制的稳定性，由式(12)和(17)可知：

(19)

式(19)表明：(1)在输出相同Δpi时，所需附加调制电压与输出无功电流成反比；(2)相同情况下，稳态直流偏差ΔUdci与K值成反比。

图4　A相控制框图Fig.4　Control diagram of a phase

3　仿真分析与验证

为验证相关分析的正确性与所提出策略的有效性，本文利用PSCAD/EMTDC搭建了3相6级联的链式STATCOM仿真模型，相关参数见表1。

仿真中采用直流电容并联电阻的方式来模拟链节损耗差异，在A相子模块1并联了R=500Ω的电阻(对应损耗占额定容量的0.8%)，A相其他子模块并联了R=1 000Ω的电阻，调制策略采用载波移相。表2～4给出了不同参数不同输出无功电流下的A相子模块1直流电压与平均电压的偏差ΔUdc、附加调制电压的基波有效值ΔUfi、输出电压谐波畸变率，相关典型波形如图5～7所示。

表1　链式STATCOM参数

表2　K=5时的仿真结果

表3　K=10时的仿真结果

表4　K=15时的仿真结果

对比表2～4可以得到：

(1)所需附加调制电压大小基本与输出无功电流大小成正比；

(2)相同增益情况下，均压效果基本与输出无功电流大小成正比；

(3)相同输出无功电流情况下，均压效果基本与增益大小成正比；

(4)附加调制电压越大，电压畸变越大。进一步分析表明，主要的谐波频谱为开关频率的单极性SPWM调制的特征谐波，与理论一致。

仿真结果表明了基于无功电流定向均压策略的有效性，同时也验证了上一节分析的正确性。需要指出的是，在输出电流为0.1 p.u.时，与理论有一定偏差，这是由于输出调制电压较大引起了误差放大。

图5　Iq/IqN=0.1，K=5的仿真波形Fig.5　Simulation waveforms when Iq/IqN=0.1，K=5

图6　Iq/IqN=1，K=5时的仿真波形Fig.6　Simulation waveforms when Iq/IqN=0.5，K=5

图7　Iq/IqN=1，K=10时的仿真波形Fig.7　Simulation waveforms when Iq/IqN=1，K=10

因此，在进行均压控制策略设计时，为了保证控制的稳定性及输出波形质量，应保证输出一定的无功电流，其取值可根据(17)、(19)式进行估计；各子模块均压控制环节的K值越大，均压效果越好，但K值过大会恶化控制系统动态稳定性能以及带来谐波放大问题，K值可根据(19)式进行设计。

4　结　论

本文揭示了基于附加调制电压的直流电压平衡控制策略的控制原理，并指出了其三种控制方式，对其控制复杂度、解耦特性、调节能力进行了分析。基于无功电流分量定向的附加调制电压的控制方式，分析了控制参数与均压效果的定量关系，并进行了仿真验证，仿真结果表明了相关分析的正确性，并给出了链式逆变器直流电压平衡控制的参数设计思路，为链式逆变器的直流电压控制和参数设计提供了理论依据。

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DC Voltage Balance Control of Cascade Multilevel Inverter Based on Modulating Voltage Superposition

LUO Chao1, XIAO Xiangning1, CHEN Zheng2, TAO Shun1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Energy Conservation Service Co., Ltd., Beijing 100052, China)

In this paper, mathematical relational expression between DC voltage variation of each module and superimposed modulating voltage is deduced, which reveals the principle of DC voltage balance control of cascade multilevel inverter based on modulating voltage superposition. Furthermore, three control modes are proposed meanwhile, the complexity, decoupling characteristic and adjustment ability of each mode are analyzed. Based on superimposed modulating voltage orientated on reactive current, quantitative relationship between the control parameters and balance effect is derived and the design method of DC Voltage balance control strategy is carried out. Finally, simulation, based on PSCAD/EMTDC, is established, and results demonstrate the validity of the analysis.

cascade multilevel inverter; DC voltage balance control; superimposed modulating voltage; hierarchical control; reactive current oriented

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.04.05

2015-10-24.

国家自然科学基金资助项目(51207051)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015XS13).

罗超(1987-)，男，博士研究生，主要研究方向为电力电子在电力系统中的应用；肖湘宁(1953-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子在电力系统中的应用；陈征(1983-)，男，工程师，主要研究方向为低碳电力与节能技术；陶顺(1972-),女,副教授,主要研究方向为电力系统电能质量、智能配电网等。

TM464

A

1007-2691(2016)04-0027-07