模块化多电平AC/AC变流器的分层控制策略研究

白天彤，郭小舟，张译文

模块化多电平AC/AC变流器的分层控制策略研究

白天彤，郭小舟，张译文

基于对变流系统单相模块化多电平AC/AC变流器（AC/AC-MMC）工作原理的分析，提出了一种上层基于D-Q解耦的电压、电流双闭环控制，底层基于谐波注入的输出端控制以及基于排序法的电容电压平衡控制的分层控制策略，结合载波移相PWM调制技术组成了针对AC/AC-MMC的分层控制系统，并基于CRH5型动车额定参数，于Matlab/Simulink平台下搭建了仿真模型，仿真结果验证了理论分析的正确性以及所设计的分层控制系统的有效性。

AC/AC变流器；模块化多电平；分层控制策略；谐波注入；电容电压平衡

0 引言

自模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，MMC）投入应用以来，已在高压直流输电（HVDC）、静止同步补偿器（STATCOM）等高电压、大容量变流器的应用中成为研究热点[1]。

文献[2]提出了基于模块化多电平AC/AC变换器（AC/AC-MMC）的电力电子变压器（PET），无中间直流环节，只含一个中频变压器，相比于传统牵引变压器以及PET拓扑可更有效减小装置体积及重量，功率变换模式更为简单，但文献并未给出详细控制策略。文献[3～7]对AC/AC-MMC进行了相关探索，如文献[3]提出一种基于数字控制方法的电流预测控制技术，文献[4]提出桥臂电流的直接控制策略，文献[5]通过在每个桥臂上增加一个隔离型DC/DC变换器的辅助电路来平衡电容电压，文献[6，7]只给出了实验结果。

目前，国内外针对应用在电力机车中的全桥子模块AC/AC-MMC的研究尚不完善。本文中笔者分析了AC/AC-MMC的工作原理并建立平均周期模型，给出一种分层控制策略，该控制策略可以实现输入端网侧功率因数为1，输出端为中频方波且电容电压均衡的控制目标。

1 AC/AC-MMC的工作原理及模型建立

电力机车牵引用单相MMC系统采用直接AC/AC变换模式，电路模型如图1所示。每个桥臂由若干个全桥子模块级联组成，桥臂可以看成一个受控电压源，等效电路如图2所示。

稳态工作时电路具有严格的对称性，变换器输出端与输入端相互独立，电压、电流平均分配在各个桥臂上，并满足如下关系：

式中，ux(x=1,2,3,4)为桥臂端口电压；ix为桥臂电流，方向见图2；un、in为网侧电压、电流；io、uo为输出电流、电压；us为四象限变换器输出信号，与网侧电源电压、电感电压矢量关系满足四象限变换器的矢量三角形关系，即

图1 单相AC/AC模块化多电平电路模型

电路在稳态工作时，当in＞0：若uo＜0，根据式（1）可知u1=u4＞u2=u3，MMC各支路电流方向如图2（a）所示，其中i1=i4=(|in|-|io|)/2，i2=i3=(|in|+|io|)/2；若 uo＞0，可知 u1=u4＜u2=u3，MMC各支路电流方向如图2（b）所示，其中i1=i4=(|in|+|io|)/2，i2=i3=(|in|-|io|)/2。in＜0时同理可推。

图2 MMC工作原理

由于AC/AC-MMC的输出侧为中频方波，故可以取消传统的工频变压器，改用体积更小、重量更轻、效率更高的中频变压器进行隔离，后端接全桥整流器，其工作原理类似隔离型DC/DC变换器的副边移相过程。

2 分层控制策略

2.1 D-Q解耦的前端四象限变换器控制

由于MMC的上下桥臂与网侧组成了一个等同于级联多电平的四象限变换器，故MMC的上层控制策略可采用四象限变换器常用的控制方法，并采用D-Q解耦的直接电流控制，控制流程如图3所示。

图3 四象限变换器的D-Q解耦控制流程

其中，电压外环同时也是系统子模块电容电压均值控制环，反馈信号为所有子模块电容电压的平均值Ucave，则网侧交流电压的调制信号ds在D-Q坐标下的分量分别为

基于D-Q解耦的双闭环控制能够使有功、无功分离，使网侧交流信号直流化，从而也可消除PI控制所带来的稳态误差问题。

2.2 基于排序法的电容电压平衡控制

在半桥MMC系统中，普遍采用传统排序法对电容电压进行平衡控制，通过直接控制目标子模块的开关信号，使桥臂中电压最高的子模块放电，电压最低的子模块充电。

本文叙述的MMC系统采用如图4所示的全桥子模块，相比半桥电路，电容工作状态增加了旁路状态，故需重新设计排序法程序，具体算法如下：

（1）将所有电容电压经升序变换器排序。

（2）分别求出所有子模块SM1—SMN开关管S1、S2开关信号的和，记为l1、l2。

（3）判断桥臂电流信号ix的方向。

a.若ix＞0，桥臂x吸收能量。

当l1=n（0≤n＜N），说明该桥臂中至多有n个子模块电容投入到吸收电能的过程中，将前n个开关S1的信号置1，做充电准备；再判断l2，若l2=m，此时将后m个子模块开关S2的信号置1，则后m个子模块电容将均处于放电或旁路状态。

b.若ix＜0，桥臂x释放能量。

当l1=n，则该桥臂至多有n个子模块电容投入到释放电能的过程中，此时将后n个子模块开关S1的信号置1，做放电准备；再判断l2，若l2=m，此时将前m个子模块开关信号置1，则此时后N-m个子模块处于放电或旁路状态。

图4 MMC子模块电路

2.3 基于谐波注入法的输出电压控制

对于级联H桥多电平变换器以及常见的多电平矩阵变换器，通常采用载波移相SPWM技术（CPS-SPWM）进行调制，生成多电平叠加的交流信号。该控制方式简单易实现，且载波移相技术能够很大程度提高开关管的等效开关频率，减少输出信号的谐波含量。

但AC/AC-MMC输出端为中频方波，直接通过CPS-SPWM技术生成的不规则电平很难叠加成理想的方波信号，在此，结合以矩阵变换器的谐波注入方式来消除特定谐波的思想[8]，并利用AC/AC-MMC的对称结构，提出一种谐波注入控制策略，通过向四象限变换器的调制信号ds注入中频方波信号ur，使新的桥臂调制信号为

式中，ds为经D-Q解耦控制后生成的正弦调制信号；|ur(t)|=Mr是幅值为Mr、频率为fr的中频方波。从中“提取”出桥臂多电平信号中的方波信号，底层调制依然采用CPS-SPWM技术。

值得注意的是，当Mr=x/N（x=1,…N-1）时，通过式（5）的谐波注入调制方法，可以使每个桥臂的端电压满足式（1），从而得到所需的中频方波信号；当Mr≠x/N时，式（1）则不成立。根据变换器的对称结构，最后输出电压为

式中，H为由于系统其他因素而引起的谐波信号，理想情况下为0。

可见输出的中频方波幅值为|uo|=2xUC，并且含有因电容电压脉动而引起的二次及高次谐波。通过分层控制，得到MMC开关信号。AC/AC-MMC控制流程如图5所示。

图5 AC/AC-MMC控制流程

3 仿真验证

根据上述理论分析，基于CRH5型动车额定参数，于Matlab/Simulink平台下搭建仿真模型，仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

图6为网侧电压、电流波形图，为方便观察，网侧电压un在示波器中缩小了200倍；网侧电流in的谐波含量及谐波分布如图7所示，可见网侧电流THD值为1.72%，畸变率在3%以内，满足电能质量国家标准要求，但由于四象限变换器本身的电路特性，使得网侧电流不可避免地含有3次谐波。

图6 输入电压（缩小200倍）、电流波形

图7 网侧电流谐波含量及分布

图8 为输入侧有功、无功功率波形图，由于四象限变换器本身特性，有功功率不可避免存在二次脉动，而在D-Q解耦控制下的无功功率趋近于0。

图9所示为所有子模块电容在排序法平衡控制下的电压波形，可见子模块电容电压均衡，效果较理想。

图8 输入侧有功、无功功率波形

图9 所有子模块电容电压波形

图10 为当谐波信号Mr=1/7，fr=2 000 Hz时的输出电压波形，可见符合式（6）的分析结果。由于Mr=1/7，代表每个桥臂的7个子模块中有1个子模块投入到输出电压，对应其余6个模块投入到四象限变换器的多电平电压中。交流多电平电压us波形如图11所示，由于采用CPS-SPWM技术，减去1个作用于输出端子模块，理论上等效电平数应为2×6+1=13个，从图11可见仿真结果符合该理论值。

图10 输出电压波形

图11 交流侧多电平电压波形

图12 —图15分别为网压波动以及谐波指令变化时的相关变量波形。图12为在0.4 s时电网电压有效值由25 kV突变到30 kV的输入电压（波形缩小200倍）、输入电流波形，可以看出，分层控制策略下的系统响应较快，网侧电流能够迅速调整达到稳定，并且保持网侧功率因数为1。图13为电网电压在0.7 s时突变为25 kV的系统所有子模块电容电压波形，可见无论网压如何波动，子模块电容电压总能在0.1 s内重新达到稳定，但由于系统功率的变化，子模块电容电压的二次脉动幅度也产生了相应变化。

图12 网压突变时输入电压、电流波形

图13 网压波动时所有子模块电容电压波形

图14 是谐波指令由Mr=1/7，fr=2 000 Hz突变为Mr=2/7，fr=1 000 Hz时的输出电压波形，可以看出，指令信号幅值翻倍后，输出电压幅值对应翻倍。图15为对应的谐波指令突变后系统子模块电容电压波形，可见系统在0.2 s内重新达到稳定。由此可以判断，系统输出、输入的分层控制策略具有较强的独立性。

图14 谐波指令突变时输出电压波形

图15 谐波指令突变时所有子模块电容电压波形

4 结语

基于对机车牵引采用的单相AC/AC-MMC进行理论分析，提出一种分层控制策略，包括输入端四象限变换器的D-Q解耦控制、输出端基于谐波注入的控制以及子模块电容电压的排序法平衡控制。其中所提出的电容电压平衡控制算法控制效果理想，使分层控制系统的输出端与输入端相互独立。最后，通过在Matlab/Simulink平台下的仿真研究，验证了控制策略的有效性。

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Based on analyzing the working principle of single phase modularized multiple level AC/AC converter(AC/AC-MMC)of converter system,the paper puts forward a hierarchical control strategy,by which its upper layer is being under D-Q decoupling based voltage and current dual closed loop control,its bottom layer is being under the harmonic injection based output end control and the ranking method based capacitor voltage balance control,the simulation model is established under Matlab/Simulink platform on the basis of composition of AC/AC-MMC hierarchical control system combined with carrier phase shift PWM modulation technology,and on the basis of rated parameters of CRH5 EMU,the simulation results show the correctness of the theoretical analysis and effectiveness of the designed hierarchical control system.

AC/AC converter;modularized multiple level;hierarchical control strategy;harmonic injection;capacitor voltagebalance

U224.2+2

A

1007-936X(2017)06-0004-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.002

白天彤.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

郭小舟.西南交通大学电气工程学院，教授；

张译文.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生。

2017-02-10