模块化多电平换流器单传感器电容电压平衡控制策略
国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）的研究人员岳雨霏、徐千鸣等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文指出，模块化多电平换流器（MMC）在高压大功率能量变换领域应用广泛，尤其在高压直流输电系统中，当桥臂子模块达上百个时，需要配置上百个电压传感器实时测量子模块电容电压，并根据调制策略分配各子模块的开关控制信号，大量传感器的使用增加了测量系统的复杂度和生产成本。
针对MMC系统传感器数量较多的问题，在采用最近电平调制的基础上，提出一种单传感器电容电压平衡控制策略。区别于传统测量方法为每个子模块配置一个电压传感器，该策略采用每个桥臂只配置一个电压传感器，用于测量桥臂电压，并结合桥臂电流的充放电方向对各子模块电容电压进行实时预测校正，实现电容电压的平衡；同时，进一步定性分析系统调制度和控制频率对预测校正平衡控制策略的影响，为选取合适的控制参数提供依据。仿真和实验结果验证了所提方法在稳态和暂态工况下的正确性和稳定性。
模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）以其模块化、高冗余、无变压器结构、高电能质量等特点在高压大功率电能变换和高压传输领域得到广泛应用[1,2]，同时，MMC系统也存在能量不平衡[3,4]、谐波环流[5,6]、低频功率振荡[7]等问题，当MMC应用于高压直流输电（High voltage Direct Current, HVDC）系统，桥臂模块数达上百个时，由于每个子模块均需配置一个传感器，实时测量其电容电压（以下简称这种测量方案为传统测量），传统的测量方法需要为系统同时配置上百个电压传感器，增加了测量系统的控制复杂度和设计成本。
而电容电压的平衡问题[8,9]是采用传统测量方案的主要原因，由于同一桥臂中所有子模块电容电压要实时保持平衡，因而需要采样每个模块的电压便于进行平衡控制，此外，为避免测量过程中因传感器差异而导致的测量误差，每个模块应采用电气参数相同的电压传感器，以保证测量的一致性。
考虑到大量传感器的使用不仅会增加控制电路设计的复杂度，还会增加生产成本的问题，且当传感器发生故障时，在一定程度上可能降低MMC系统运行的可靠性和冗余能力，减少MMC传感器数量的测量方案为上述问题提供了新的解决途径。
解决多电压传感器测量问题主要有两种方案：一种是无子模块电容电压传感器的测量方法[10-12]；另一种是减少电压传感器数量的测量方法[13-16]。前者无需测量子模块的电容电压，仅通过测量桥臂电流或根据MMC桥臂的电压电流表达式，对子模块电容电压进行预测，并进行预测平衡控制。
文献[10]通过采样桥臂电流和直流母线电压，并将其作为状态变量，构建基于李雅普诺夫函数的自适应状态观测器，预测子模块电容电压实现其平衡控制。文献[11]直接省略了所有电压传感器和电流传感器，提出一种循环编码的排列策略，根据桥臂电流、桥臂电压和开关函数的稳态模型，定义一种双向映射方案对子模块功率器件的开关控制信号进行周期性排列，该方案节省了测量系统对传感器的使用需求，降低了硬件设计的复杂度。
文献[12]与文献[10]一样，省去了电压传感器，采用改进的方波调制策略实现电压平衡控制。上述方法均未测量桥臂电压或子模块电容电压，这种开环预测机制不能完全保证对电容电压实时预测的精确度，一定程度上可能会增大电容电压预测值与实际值的差异。
第二种测量方案是减少电压传感器的使用数量，通过测量桥臂电压或部分子模块电容电压，实现对所有电容电压的实时预测。文献[14]通过对桥臂所有子模块进行等量分组，每组（至少2个子模块）配置一个传感器，以测量组的形式对电容电压进行预测。
基于这种分组测量方案，文献[15]提出一种采样延迟补偿控制策略，提高了分组测量的测量精度。文献[16]采用载波移相调制策略，通过子模块分组测量，实现了电压平衡和等效开关频率的降低，但当桥臂级联模块数达上百个时，载波移相调制并不适合，对于模块数较多的高压大容量输电系统，采用最近电平调制（Nearest Level Modulation, NLM）策略较为适合[17,18]。减少电压传感器使用数量的测量方法可实现对电容电压的实时闭环预测，通过测量电压不断修正预测值，可提高测量系统的精确性和电压平衡能力。目前，国内有关减少MMC传感器使用数量的研究和分析较少。
本文提出一种适用于高压大容量MMC系统的单传感器电容电压平衡控制策略。该控制策略采用桥臂单电压传感器测量方法，通过测量桥臂电压和桥臂电流，在对子模块电容电压预测的基础上进行实时校正，并在NLM策略基础上对电容电压的预测校正值进行限幅降损排序实现电压的平衡控制，减小电容电压预测校正值与实际值的差异，提高测量方法的准确性。
同时，为进一步探索电容电压平衡的影响因素，分析了调制度和控制器控制频率在分别采用单传感器测量和传统测量方案时对电容电压平衡性能的影响。最后，搭建仿真模型和实验平台进行稳态和暂态工况的分析验证，仿真和实验结果验证了所提方法的可行性。
图1 三相MMC系统等效模型
图12 单相MMC整流器实验平台
本文提出了一种采用单传感器测量的子模块电容电压平衡控制策略，每个桥臂仅使用一个电压传感器，结合各子模块的开关控制信号和桥臂电流方向，在对子模块电容电压值进行开环预测的基础上，利用单电压传感器测量得到的桥臂电压对预测值进行实时闭环校正，提高了对电容电压开环预测方法的精准度。
通过搭建三相MMC-HVDC仿真模型和单相MMC整流实验平台，进一步对比分析了当分别采用单传感器测量方法和传统多传感器测量方法时，调制度和控制频率对子模块电容电压实际值的影响，得到如下结论：
相比传统测量方法，单传感器测量简化了测量系统的硬件结构，每个桥臂仅使用一个电压传感器实现对桥臂所有子模块电容电压的测量；单传感器测量虽然子模块电容电压的收敛度和电压纹波高于传统测量，但桥臂等效开关次数却较低，降低了功率损耗。单传感器测量为MMC系统电容电压的平衡控制提供了一种降低测量系统复杂度和成本的有效方案，随着传感器测量精度和适用电压等级的提高，该方法将更好地满足不同电压等级的测量需求。