摘要
國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）的研究人員嶽雨霏、徐千鳴等，在2018年第16期《電工技術學報》上撰文指出，模塊化多電平換流器（MMC）在高壓大功率能量變換領域應用廣泛，尤其在高壓直流輸電系統中，當橋臂子模塊達上百個時，需要配置上百個電壓傳感器實時測量子模塊電容電壓，並根據調製策略分配各子模塊的開關控制信號，大量傳感器的使用增加了測量系統的複雜度和生產成本。
針對MMC系統傳感器數量較多的問題，在採用最近電平調製的基礎上，提出一種單傳感器電容電壓平衡控制策略。區別於傳統測量方法為每個子模塊配置一個電壓傳感器，該策略採用每個橋臂只配置一個電壓傳感器，用於測量橋臂電壓，並結合橋臂電流的充放電方向對各子模塊電容電壓進行實時預測校正，實現電容電壓的平衡；同時，進一步定性分析系統調製度和控制頻率對預測校正平衡控制策略的影響，為選取合適的控制參數提供依據。仿真和實驗結果驗證了所提方法在穩態和暫態工況下的正確性和穩定性。
模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）以其模塊化、高冗餘、無變壓器結構、高電能質量等特點在高壓大功率電能變換和高壓傳輸領域得到廣泛應用[1,2]，同時，MMC系統也存在能量不平衡[3,4]、諧波環流[5,6]、低頻功率振盪[7]等問題，當MMC應用於高壓直流輸電（High voltage Direct Current, HVDC）系統，橋臂模塊數達上百個時，由於每個子模塊均需配置一個傳感器，實時測量其電容電壓（以下簡稱這種測量方案為傳統測量），傳統的測量方法需要為系統同時配置上百個電壓傳感器，增加了測量系統的控制複雜度和設計成本。
而電容電壓的平衡問題[8,9]是採用傳統測量方案的主要原因，由於同一橋臂中所有子模塊電容電壓要實時保持平衡，因而需要採樣每個模塊的電壓便於進行平衡控制，此外，為避免測量過程中因傳感器差異而導致的測量誤差，每個模塊應採用電氣參數相同的電壓傳感器，以保證測量的一致性。
考慮到大量傳感器的使用不僅會增加控制電路設計的複雜度，還會增加生產成本的問題，且當傳感器發生故障時，在一定程度上可能降低MMC系統運行的可靠性和冗餘能力，減少MMC傳感器數量的測量方案為上述問題提供了新的解決途徑。
解決多電壓傳感器測量問題主要有兩種方案：一種是無子模塊電容電壓傳感器的測量方法[10-12]；另一種是減少電壓傳感器數量的測量方法[13-16]。前者無需測量子模塊的電容電壓，僅通過測量橋臂電流或根據MMC橋臂的電壓電流表達式，對子模塊電容電壓進行預測，並進行預測平衡控制。
文獻[10]通過採樣橋臂電流和直流母線電壓，並將其作為狀態變量，構建基於李雅普諾夫函數的自適應狀態觀測器，預測子模塊電容電壓實現其平衡控制。文獻[11]直接省略了所有電壓傳感器和電流傳感器，提出一種循環編碼的排列策略，根據橋臂電流、橋臂電壓和開關函數的穩態模型，定義一種雙向映射方案對子模塊功率器件的開關控制信號進行週期性排列，該方案節省了測量系統對傳感器的使用需求，降低了硬件設計的複雜度。
文獻[12]與文獻[10]一樣，省去了電壓傳感器，採用改進的方波調製策略實現電壓平衡控制。上述方法均未測量橋臂電壓或子模塊電容電壓，這種開環預測機制不能完全保證對電容電壓實時預測的精確度，一定程度上可能會增大電容電壓預測值與實際值的差異。
第二種測量方案是減少電壓傳感器的使用數量，通過測量橋臂電壓或部分子模塊電容電壓，實現對所有電容電壓的實時預測。文獻[14]通過對橋臂所有子模塊進行等量分組，每組（至少2個子模塊）配置一個傳感器，以測量組的形式對電容電壓進行預測。
基於這種分組測量方案，文獻[15]提出一種採樣延遲補償控制策略，提高了分組測量的測量精度。文獻[16]採用載波移相調製策略，通過子模塊分組測量，實現了電壓平衡和等效開關頻率的降低，但當橋臂級聯模塊數達上百個時，載波移相調製並不適合，對於模塊數較多的高壓大容量輸電系統，採用最近電平調製（Nearest Level Modulation, NLM）策略較為適合[17,18]。減少電壓傳感器使用數量的測量方法可實現對電容電壓的實時閉環預測，通過測量電壓不斷修正預測值，可提高測量系統的精確性和電壓平衡能力。目前，國內有關減少MMC傳感器使用數量的研究和分析較少。
本文提出一種適用於高壓大容量MMC系統的單傳感器電容電壓平衡控制策略。該控制策略採用橋臂單電壓傳感器測量方法，通過測量橋臂電壓和橋臂電流，在對子模塊電容電壓預測的基礎上進行實時校正，並在NLM策略基礎上對電容電壓的預測校正值進行限幅降損排序實現電壓的平衡控制，減小電容電壓預測校正值與實際值的差異，提高測量方法的準確性。
同時，為進一步探索電容電壓平衡的影響因素，分析了調製度和控制器控制頻率在分別採用單傳感器測量和傳統測量方案時對電容電壓平衡性能的影響。最後，搭建仿真模型和實驗平臺進行穩態和暫態工況的分析驗證，仿真和實驗結果驗證了所提方法的可行性。
圖1 三相MMC系統等效模型
圖12 單相MMC整流器實驗平臺
結論
本文提出了一種採用單傳感器測量的子模塊電容電壓平衡控制策略，每個橋臂僅使用一個電壓傳感器，結合各子模塊的開關控制信號和橋臂電流方向，在對子模塊電容電壓值進行開環預測的基礎上，利用單電壓傳感器測量得到的橋臂電壓對預測值進行實時閉環校正，提高了對電容電壓開環預測方法的精準度。
通過搭建三相MMC-HVDC仿真模型和單相MMC整流實驗平臺，進一步對比分析了當分別採用單傳感器測量方法和傳統多傳感器測量方法時，調製度和控制頻率對子模塊電容電壓實際值的影響，得到如下結論：
相比傳統測量方法，單傳感器測量簡化了測量系統的硬件結構，每個橋臂僅使用一個電壓傳感器實現對橋臂所有子模塊電容電壓的測量；單傳感器測量雖然子模塊電容電壓的收斂度和電壓紋波高於傳統測量，但橋臂等效開關次數卻較低，降低了功率損耗。單傳感器測量為MMC系統電容電壓的平衡控制提供了一種降低測量系統複雜度和成本的有效方案，隨著傳感器測量精度和適用電壓等級的提高，該方法將更好地滿足不同電壓等級的測量需求。
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