47基于最近电平控制nlc的模块化多变换器mmc改进型环流控制策略

1、，刘进军，少迪，宋曙光，吴鸿达(西安交通大学电气，陕西省 西安市 710049)摘要：本文提出了一种基于最近电平控制(NLC)的模块换多电平变换器(MMC)改进型环流抑制策略。根据固定环宽的冗余状态转换原则，环路电流峰值可以被近似控制在设定环宽以内。在对传统环流控制器及控制策略进行了详细分析之后，可知前者的环路电流峰峰值要大于后者，这主要是由环路电流控制器在 NLC 应用中的工作特性决定的。除此之外，此控制策略更易于实现，具有很快的动态响应性能，桥臂参考电压不受影响。仿真结果证明了本控制策略的有效性。：模块化多电平变换器；环流抑制策略；最近电平控制；固定环宽A Modified Circula

2、ting Current Suppressing Strategy for Nearest LevelControl (NLC) Based Modular Multilevel Converter (MMC)Chen Xingxing, Liu Jinjun, OuShaodi, Song Shuguang, Wu Hongda(School of Electrical Engineering, Xian Jiaotong University, Xian, Shannxi, 710049, China)Abstract: This pr presents a modified circul

3、ating current suppressing strategy for nearest level control (NLC) based modular multilevel converter (MMC).Operating as hysteresis control, the peak values of circulating current can be approxima y limited with he fixed-band according to a fixed-band submodule (SM)s e transition principle. A detail

4、edysishis pr for traditional controllers and the proed non-linear control strategy demonstratest the peak-to-peak(p-p) value of the controlled circulating current for the former is greatern the latter, mainly due to the operation characteristic of the circulating current control inthe case of NLC. M

5、oreover, the proed control strategy is simpler to be implemented with very fast dynamic performance. Simulation results provedeffectiveness of the proed control strategy.Keywords: modular multilevel converter; circulating current control;nearest level control包括：基于 dq 旋转坐标系的PI 控制2，基于 abc坐引言标系的PR3控制，重

6、复控制4，这些控制方法主要都基模块化多电平变换器(MMC)自 2003 年由Marquardt于脉冲宽度调制()，并且都包含用于产生不平及Lesnica 提出之后，引起了广泛的关注。MMC 中的环路电流会增大器件应力及系统的传导和开关损耗。通过衡电压参考的控制环路，控制器的结构及参数设计较为复杂。与相比，NLC 更适合模块数较多情况下的引入环流控制器，二次谐波环流能够得到有效控制，于MMC 调制，然而，只有很少的文献(5-6)对基于NLC的MMC 环流控制策略进行了研究。本文旨在提出一种此同时产生了开关频率次环流1。现存的环流控制策略其中icirj 为 j 相环路电流，它可以被分解为直流成分及

7、偶次谐波成分3。桥臂参考电压如下式(2)、(3)所示：基于NLC 的MMC 改进型环路电流控制策略。在本文中，PI、PR 以及重复控制器被归类为传统环 Udc流控制器。现有文献未有提及用滞缓控制器来实现MMCe uu(2)pj _ refjdiffj2的环流抑制。传统环流控制器和滞缓控制器的特点如下 Udce uu(3)表 1 所示。改进型环流控制器与滞缓控制器的唯一不同nj _ refjdiffj2点是开关频率。在NLC 调制下，传统控制器和改进型控Idc制器对环流的控制误差都不为 0，但改进型环流控制器的upbUdc2控制误差更小。传统控制器的设计流程复杂，需要求出L0L0L0 R0ipa

8、RA系统传递函数，画出波特图，设计控制器参数以此补偿0BCRiRUdc200circ幅频和相频特性。在调制下，通过这样的设计流程，iL0L0L0na传统控制器能够更精确地控制占空比。但对于NLC 调制，uUcnbUS无须调制占空比，在使用改进型控制器的时候，能够达到控制误差更小，动态响应更快，设计流程更为简单的图 1 三相MMC 电路结构效果。下文将会对改进型环流控制器的控制原理展开详1.2 最近电平控制细的描述。最近电平控制通过比较参考电压与设定电平区间来表 1 不同控制器的特征产生阶梯状输出电压波形。上下桥臂的投入模块个数为：n round( vref )N(4)p2UcvNn round

9、 ( ref )(5)n2Uc其中Uc 为子模块电容电压。图 2 例举了基于NLC 的 9电平MMC 调制机制。如图 2 所示，系统的采样频率 f s至少要大于2Nf 0 ，其中 f0 为输出电压基波频率。在本文1 MMC 电路结构及调制方法中，假设系统采样频率远大于最小采样频率，同时作为环路电流控制的触发信号。1.1 电路结构ej - udiffj4U模块化多电平变换器的基本电路结构如图 1 所示，每相电路由上下两个桥臂组成，每个桥臂包含 N 个子模c7Uc / 2uo5U / 2cMinimum S ling Time3Uc / 2Uc / 20Uc块及一个桥臂电感 L ，R 为桥臂等效损

10、耗电阻。U、t00dcIdc 分别为直流侧电压及电流，每一时刻，单相电路的总投入子模块数始终为 N。MMC 的不平衡电压为：di R i 1 U (u u )u Lcirj(1)diffj00 cirjdcpjnjdt2图 2 最近电平控制控制器传统控制器滞缓控制器改进型控制器动态响应相对快很快很快控制误差调制下的控制误差为0 ;NLC 调制下的MM控制误差不为0从未提及用于MMC 环流抑制设定带宽开关频率固定变化固定设计流程复杂(计算传递函数, 画波特图)简单(只要确定上下边带值)MR0R0知，np及nn保持不变，这意味着控制器并未对环生任何2 环流控制原理作用，投入的相子模块书等于 N。i

11、diffj和ej一样，几乎保持不变，但是udiffjn一直累加，知道第 4 个周期，ej udifjf4升至更高的电平区间，投入模块数由 N 变为 N+1，环流开始减小，通过在上桥臂或下桥臂投入及旁路额外的子模块，可以产生 N+1 及 N-1 两个冗余状态7，对应的电压电平被称为冗余电平。不同投入模块数下，MMC 单相等环流的递减值 icir4为：效电路及单周期环路电流波形如下图 3 所示。两个冗余 (2udiff 4 Uc )Ts(6)icir 4状态的产生可以被定义为在电路中投入了相反极性的子2L模块(Uc )7。在图 3路电流在一个开关周期内被当2udiff 4 与Uc 相比可以被忽略，

12、并且 icir3 icir4 时，则环路电流的负峰值约等于UcTs/2L。类似的，随着环 路电流波形的变化，正峰值将约等于UcTs/2L，最终环路电流的峰峰值将超过UcTs/L。不平衡电压udiff 及子模块(Uc )作用在近似为直线电路中，分别产生了增量idiff 及iUc ，通常情况下，iUc 大于idiff 。如果idiff 及iUc 的极性相同，则叠加量isup 将大于iUc ，反之，叠加量为isup- 且小于iUc 。图 3 的分析是基于idiff 斜率为正的情况，利用相同的分 析方法，可以得到idiff 斜率为负时的电流波形。icirj+i+pundiffjii*pnnn+cirj

13、Udc e2jLLLu,u,图 4 传统环流抑制控制器的结构框图0 icirjL0 icirjLu, 0LUUdiffjcdiffjcdiffj4Ucudiffjicirjudiffj iudiffjicirjT7U /2eueuccirjjjdiffj1diffj4is5U / 2supicdiffjt3U / 2iUcisup iUUc /2cctidiffj0idiffjtttttt34012TTssudiffj4ejudiffj1ej（a）(b)(c)图 3 不同状态下的MMC 单相等效电路及单周期环路 (2udiffj4Uc )Tsiicirj0icir 42L3 环流抑制策略idi

14、ffjcir 3tt3ttt1240tTTTT3.1 传统环流抑制控制器(TCCSC)ssssiNN 1NNUc传统环流控制器的结构如下图 4 所示。icirj与参考进 行比较，再经过环流控制器产生不平衡电压udiffj指令， udiffj叠加在Udc / 2 e j 上产生上下桥臂电压参考。图 5 显示了传统环流控制器在NLC 调制下的MMC 中的控制机理。图 5 传统环流抑制控制器的控制效果3.2 改进型环流抑制控制器为进一步减小环路电流峰峰值并简化控制器实现，提出一种改进型环流控制策略：1)只有当icirj超出其上限值iUc /2 或下限值iUc /2时，N+1 或 N-1 个子模块将被

15、投入；2)为保持平均开关频率不变，模块数总是先转换为 N，由于 fs远大于 fo，ej在 t0 至 t4 区间很接近Uc/2，并且几乎保持不变。又因为udiffjn足够小， e j 在 t3 之前都保持在同一电平区间内。不平衡电压udiffjn为共模电压，再转换至 N+1 或 N-1。因此，固定环宽的冗余状态转换原因此ej udiffjn及ej udiffjn一起向上移动。根据(4)、(5)可The ControlledCirculating CurrentVoltage Referenceicirj模块数重新变为 N。isup 小于iUc ，因此状态 N-1 在idiff斜率变为负之前不会出

16、现。由此分析，受控环流的正峰值约则可以表达为：iUc 2N + 1icirj为i /2。若i斜率为负，经过类似的分析可知，负峰值iUiUUcdiff c icirj cN(7)n =22约为iUc /2，最终受控环流的峰峰值可以被近似限制为iUc i。N 1icirj2Ucn 表示投入子模块总数。改进型控制器的结构框图如图 6 所4 仿真分析示。对于改进型环流控制器而言，udiffj 与 ej 相互独立，并且环流控制只取决于udiffj。桥臂电压参考不受udiffj影响，其表达式为：为比较改进型环流控制策略与传统控制策略的控制效果，本文利用PSCAD 对三相MMC 模型进行了。单桥臂级联功率单

17、元数为n=10，直流端电压Udc 800 V ，子模块电容值及桥臂电感值分别为5 mF 、10 mH 。开关Udcupj_ref = ej( j = a,b,c )(8)2Udc+ eu=( j = a,b,c )(9)nj_refj2频率及输出电压基波频率分别为 f 5 kHz 、f 50 Hz 。s这与传统控制器完全不同。计算iUc 0.8 (A) 。传统环流控制器采用的是PR 控制器。在仿真波形图中 8(a)、8(b)，控制器于 1.5s 时刻被使Udc enjp2nnip+能。由仿真结果分析可知，改进型环流控制器控制下的环路in* ciri电流峰峰值明显小于传统环流控制器，且被限制在环

18、宽以内。图 6 改进型环流抑制控制器的结构框图由图 10，模块数状态转换于理论分析一致。由图 11，环流控制器使能情况下，桥臂电容电压波动值有所减小。4Uc7Uc /25Uc / 23Uc / 2ej432101243210121.20.4 .4U / 2ct-1.20ttttt012343341.241.21.41 61.8Times (s)2.01.41.61.8Times (s)2.0ej(a)(b)图 8 环路电流波形 (a)改进型控制策略.(b)传统控制策略.1111iidiffjisup23TsN 1cirjiUc /2t1010tttt4001ti /2TsNTsNTsNUc91

19、.9891.982.002.001.99Times (s)1.99Times (s)(a)(b)图 7 改进型环流抑制控制器的控制效果图 9 桥臂模块数变化 (a)改进型控制策略.(b)传统控制策略.根据两个控制原则，可以画出环路电流波形如图 7 所示。ej在区间 t0 - t4 内基本保持不变。icirj的斜率大于 0，在 t0 的值时刻大于 0，但是偏差很小。由icir0 未超出环宽限制，投入子模块数保持为 N，直到t2 时刻，icir 2 超过上环宽值，于是N+1 个子模块被投入用于减小环路电流。下一周期，投入子0.60.40.20- 0.2- 0.40.60.40.20- 0.2- 0

20、.4N - 1NN - 1 N- 0.6.983- 0.6.98311.9841.9851.986 1.987Times (s)11.9841.9851.986 1.987Times (s)(a)(b)图 10 受控环流放大波形 (a)改进型控制策略.(b)传统控制策略.Peak alue ( A)VBand Limi ion A)(The Controlledirculating CurrentVoltage ReferenceCurrent gCircu atinAC) (Circulating Current (A)Inserted SM Numbersnturre gtinircula

21、CACurrent g) () (AInserted SM NumbersC ircula tin C88with circulating current control for modular multilevel converter,”86848280787674IETer Electronics, vol. 9, no. 2,pp.155-164, May. 2015.6Yi, D., Saeedifard, M., Harley, R.G., “An improved nearest-level modulation method for the modular multilevel

22、converter,” IEEEC, March. 2015, pp. 1595-1600G. Konstantinou, J. Pou, S. Ceballos, R. Picas, J. Zaragoza and721.251.301.401.451.35Times (s)(a)8684786848282V.Agelidis, “Control of circulating currentsodular multilevel807876807876converters through redundant voltage levels,” IEEE Tranions741.90741.90o

23、ner Electronics, vol. pp, no. 99, pp.1-1, 2016.1.92 1.94 1.96 1.98 2.001.921.94 1.96 1.98 2.008M. Zhang, L. Huang, W. Yao and Z. Lu, “Circulating Harmonic(b)(c)Currenimination of a CPS-Based Modular MultilevelRepetitive Controller,” IEEE图 11 不同控制策略下的子模块电容电压波形 (a)无环流控制器. (b)改进型环流控制器. (c)PR 控制器.Conver

24、ter With a Plug-InTranionsonerElectronics,5 结论vol. 29, no. 4, pp. 2083-2097, April. 2014.H. Akagi, “Classification, Terminology, and Application of the Modular Multilevel Cascade Converter (MMCC),” IEEE9本文提出了一种基于最近电平控制(NLC)的模块换多电Tranions oner Electronics, vol. 29, no. 11, pp.平变换器(MMC)改进型环流控制策略。根据固定环

25、宽的子模3119-3130, Nov. 2011.G. Konstantinou, J. Pou, S. Ceballos and V. Agelidis, “Active Redundant Submodule Configuration in Modular Multilevel块数状态转换原则，环路电流峰值可以被近似控制在设定环10宽以内。相对于传统环流控制器，本控制策略可进一步减小Converters,” IEEE Tranions oner Electronics, vol. 28,环路电流峰峰值，具有很快的动态响应性能，桥臂参考电压no. 4, pp. 2333-2341, Oct

26、. 2013.X. Zhang and P. Wang, Circulating current不受影响，控制过程易于实现。11ysis and17thsuppresof modular multilevel converters, inProc.参考文献ernational Conference of Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2014, pp. 2478-2482.K. Li, C. Li, F. Lee, Z. Zhao, Precise control law of MMC and1Y. Li and F. Wang, Arm i

27、nductance selection principle for modular multilevel converters with circulating current suppressing control, in Proc. Annual Conf of the IEEE App d er Electronics, 2013, pp. 1321-1325.Q. Tu, Z. Xu and L. Xu, “Reduced switching-frequency12its application in reducing capacitor voltage rippy injecting

28、28thcirculating current , in Proc. 18thernational Conference ofElectrical Machines and Systems (ICEMS), 2015, pp. 371-377.R. Picas, J. Pou, S. Ceballos, V. Agelidis and M. Saeedifard, Minimization of the capacitor voltage fluctuations of a modular multilevel converter by circulating current control, in Proc. 38th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, 2012, pp. 4985-4991.Y. Ma and L. Fan, Circulating Current and DC Current RippleControl in MMC Un