基于NLC调制的MMC多子模块工况模拟测试电路及其控制方法

杨云霄,马柯*  

(上海交通大学电气工程系 上海市 闵行区 200240)

摘要

模块化多电平转换器(MMC)由大量子模块构成,子模块的可靠性对MMC系统的安全可靠运行有着重要影响。特定工况下的可靠性评估表现是子模块设计指标之一,搭建较完整的MMC系统对子模块进行可靠性测试和验证成本高且效率低,因此提出了一种针对多个MMC子模块的工况模拟测试电路及其相应的控制方法。通过设计负载电流控制策略以及增加辅助桥臂、反串子模块及其控制策略,可以使待测子模块的流入电流、电容电压以及开关序列与实际MMC系统中一致。该电路能够同时对多个子模块进行测试,极大地减小了测试电路对直流源电压的要求,可在保证测试工况与运行工况一致的前提下,大幅提高测试效率、降低测试成本。通过搭建仿真模型实验,验证了所提方法的有效性。本方法可以应用于子模块装机前的可靠性验证,以及子模块电气特性、热特性及可靠性等工厂测试,为子模块控制及设计研发提供参考。

关键词 : 模块化多电平变流器;子模块;试验方案;实际运行工况;可靠性测试

基金项目:国家重点研发计划(2018YFB0905801)。 National Key Research and Development Program of China(2018YFB0905801).

0 引言

近年来,模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)在中高压直流输电场景中已得到大量应用并展现出了良好的应用前景[1-3]。相比于传统变流器拓扑,MMC易扩展电压等级和功率容量,并且有更好的输出特性。典型中高压MMC系统包含成百上千个子模块,子模块的可靠性对MMC系统的可靠性至关重要[4-5]。因此,如何对MMC子模块的控制功能及可靠性进行有效的评估与测试,成为越来越被关注的研究内容。考虑到MMC系统所包含的器件数量庞大,运行工况复杂,搭建较为完整的MMC测试系统(如单个桥臂、单相H桥或三相电路)进行可靠性测试,成本高且测试效率低,因此亟需研究与实际工况“等价”且更加高效的子模块测试手段[6]

文献[7-8]中提出了一种MMC子模块测试系统,可以模拟出单个或多个子模块组的电热特性及控制特性,然而由于MMC子模块流入电流包含有直流、基波以及二倍频分量,该方法难以严格复现MMC子模块较复杂的电气应力。文献[9-10]提出一种采用滞环控制的单子模块测试方法,能较好再现流入子模块的负载电流,然而文中所采用的滞环控制使控制器的设计复杂化,并且该控制策略仅能用于单子模块的测试中,无法同时对多个子模块进行同时测试。文献[11-12]采用电流发生器对负载电流进行控制,能够较好地模拟出采用载波移相调制(CPS-PWM carrier,phase shifted PWM)时的MMC桥臂电流中的各个分量,但是由于最近电平逼近(nearest level control,NLC)的开关序列更为复杂,文献[10-11]中提出的子模块测试方法无法应用于NLC调制。文献[13]中提出了一种MMC子模块工况模拟测试方案,采用电流发生器控制电流,采用辅助桥臂控制子模块电容电压,能够实现测试电路直流源与子模块电容电压的解耦,极大地减小了对直流源电压的需求,但因子模块电容电压始终保持恒定,与电压波动的实际工况不符。目前MMC子模块工况模拟的研究均是针对单个子模块的测试方案,同时针对多个子模块进行测试的方案较少。

本文首先分析了已有模拟测试方法的局限性,设计了带有反串子模块和辅助桥臂的测试电路,然后研究了负载电流控制策略、待测子模块电容电压平衡策略以及反串子模块控制策略,最后搭建仿真平台进行仿真验证。

1 多子模块工况模拟测试系统电路拓扑

多子模块工况模拟测试方案的待测对象为MMC同一桥臂上串联的子模块,当流入待测子模块组的负载电流及各个子模块的电容电压与完整MMC系统中的子模块保持一致时,可以认为实现了子模块的工况模拟。图1所示为采用NLC调制的MMC系统A相上桥臂电流及子模块电容电压仿真波形,本文选取了桥臂中的部分子模块波形为例。MMC系统仿真参数如表1所示。

表1 MMC系统仿真参数
Table 1 Full scale MMC system parameters

图1 MMC系统A相上桥臂电流及电容电压波形
Fig.1 Arm current and capacitor voltage of MMC phase A upper arm

使用多个子模块串联测试的电路如图2所示,该电路由电流发生器以及多个串联的待测子模块组成。可以看出,随着待测子模块数量不断增加,电流发生器直流电压源Vdc需要提供的电压也将不断增高,尤其当子模块电容电压较高时,直流电压源会限制同时串联测量的子模块个数。

图2 多个子模块串联的测试电路
Fig.2 Test circuit for SMs in series

本文采用的子模块工况模拟测试方案的电路如图3所示,该电路由电流发生器、待测子模块、辅助桥臂、反串子模块组成。其中,电流发生器采用全桥结构,用于产生流入待测子模块的负载电流。待测子模块与反串子模块均采用半桥结构,具有相同的电压等级。每个待测子模块对应于一个反串子模块。当待测子模块与对应的反串子模块同时投入时,两者电容电压上的直流分量抵消,电流发生器直流源仅需提供电容电压交流波动分量。同时,可借助辅助桥臂对待测子模块的电容电压进行调节。采用图3所示的电路,能够同时对多个子模块进行测试,并且可以减小测试电路对直流源电压的需求。

图3 带有反串子模块的多子模块串联测试电路
Fig.3 Test circuit for SMs in series with reversed connected SMs

2 多子模块工况模拟电路控制方案

2.1 负载电流控制策略

工况模拟电路控制方案分为3部分,负载电流控制系统、待测子模块电容电压平衡控制系统以及反串子模块控制系统。

控制系统的参考值取自MMC系统仿真数据,参考值包括待测子模块负载电流iload*、待测子模块电容电压参考值ucsm*、待测子模块开关序列SWsm*以及反串子模块电容电压参考值urev*。

根据MMC系统稳态分析可知[14-16],流入MMC系统子模块中的桥臂电流包含有直流、基波以及二倍频分量(取决于是否加入环流抑制)[17-18]。为了实现更好的跟随效果,本方案采用比例积分谐振(PIR)控制器对流入待测子模块的负载电流进行控制,其中PI控制决定了电流控制器的动态特性,而谐振控制能够对负载电流中的基波以及二倍频分量进行有效控制[11]。 图4所示为电流控制器控制框图,将采样电流iload与参考值iload*求差,误差信号经过PIR控制器后再通过PWM调制生成电流发生器的开关信号。

图4 负载电流控制框图
Fig.4 Control block diagram of load current

2.2 待测子模块电容电压平衡控制策略

工程MMC系统中,由于开通死区、开关器件非理想等因素影响,子模块电容电压难以达到自然平衡,为了保证MMC的安全可靠运行,通常采用电容电压平衡控制对子模块电容电压进行调节[19-20]。因此,相应的工况模拟测试方案也需要增加该电压平衡控制环节。待测子模块电容电压平衡控制策略如图5所示,其中待测子模块开关序列SWsm取自完整MMC系统仿真模型,子模块电容电压通过辅助桥臂开关策略进行调节。

图5 子模块电容电压平衡策略
Fig.5 Control strategy for capacitor voltage balancing

其中,辅助桥臂控制策略如图6所示,当负载电流iload > 0,即负载电流流入子模块时,若此时子模块电容电压ucsm大于参考值,则控制辅助桥臂产生负载电流通路,令负载电流无法对电容进行正向充电,如图6(a)所示。若此时子模块电容电压小于参考电压,则令辅助桥臂下管导通,使负载电流对电容进行充电,如图6(b)所示。当负载电流iload < 0,即负载电流流出子模块时,若此时子模块电容电压ucsm大于参考值,令辅助桥臂下管导通,使子模块电容电压放电,如图6(c)所示。若此时子模块电容电压ucsm小于参考值,则辅助桥臂控制策略如图6(d)所示,使子模块电容电压无法进行放电。

图6 辅助桥臂控制策略
Fig.6 Control strategy of auxiliary arm

通过以上分析可以将辅助桥臂控制策略总结如表2所示。

表2 辅助桥臂控制策略
Table 2 Control strategy of auxiliary arm

考虑到待测子模块下管导通,辅助桥臂上管导通时,子模块端口电压将变为-ucsm,会使得滤波电感两端压差过大,出现电流畸变,故需要对此类情况进行修正。将子模块的开关序列用式(1)表达,令辅助桥臂开关策略输出的开关信号与子模块开关序列相乘得到SWaux后再输出至辅助桥臂,即可避免子模块下管导通、辅助桥臂上管导通时子模块端口电压为-ucsm的情况出现。

2.3 反串子模块控制策略

为了减小工况模拟测试方案对直流源电压的需求,电路采用反串子模块抵消待测子模块的直流分量。反串子模块的电容需要与待测子模块中的电容同时投入与切除,结合待测子模块及辅助桥臂的开关序列,可得到反串子模块控制框图,如图7所示。

图7 反串子模块控制策略
Fig.7 Control strategy of reversed SMs

可以看出,由于工况模拟测试系统独特的电路结构,负载电流iload对待测子模块与反串子模块电容电压ucsmurev产生相反的影响,即ucsmurev波动量相反。反串子模块同样需要对电容电压进行平衡控制调节,可采用开关序列延迟开通与延迟关断的方法对反串子模块电容电压进行调节。如表3所示,当反串子模块电容电压大于参考值时,若此时iload > 0,即负载电流流出反串子模块时,采用关断延迟,使电容电压在延迟时间内进一步放电。若此时iload < 0,即负载电流流入反串子模块时,采用开通延迟,电容电压将被切除,在延迟时间内无法进行充电。同理可以推导出当反串子模块电容电压小于参考值时的延迟策略。

表3 反串子模块开关延迟策略
Table 3 Switching delay strategy of reversed SM

3 仿真验证

为了验证工况模拟测试方案的有效性,在仿真软件PLECS中搭建了工况模拟平台,仿真参数如表1所示,同时对3个待测子模块以及3个反串子模块进行工况模拟。子模块电容电压平均值为800 V,电流发生器直流电压源Vdc选取为600 V,滤波电感选取为2 mH。图8所示为工况模拟测试方案负载电流波形与参考电流波形对比,图9所示分别为待测子模块电容电压波形与相应的反串子模块电压波形。

图8 负载电流实际值与参考值对比
Fig.8 Comparison of load current between actual waveform and reference

由仿真结果可以看出,工况模拟测试方案中负载电流与参考值波形一致,包含有直流偏置以及基波分量。由图9所示的电容电压波形可以看出,待测子模块电容电压与反串子模块电容电压直流分量相同,交流波动量变化相反,实现了NLC调制下的待测子模块电气特性的流入电流和电容电压与实际MMC系统一致,同时由于待测子模块开关序列与实际MMC系统相同,可以认为本文提出的MMC子模块工况模拟测试系统实现了对实际MMC中子模块工况的真实模拟。

测试电路中反串子模块与待测子模块结构一致,电容电压波形有相似性,为了便于现场实施,可将被测子模块以及反串子模块的位置进行交换。但是此时被测子模块开关序列将会偏离实际MMC系统中子模块开关序列,如图10所示。由于开关序列也是子模块的关键参数之一,因此若要达到更好的工况模拟效果,应将待测子模块正向串联于电路中。

图9 待测子模块与反串子模块电容电压波形
Fig.9 Capacitor voltages of SMs under test and reversed SMs

图10 子模块开关序列对比图
Fig.10 Comparison of SM switching sequence

4 结论

为同时实现多个子模块的工况模拟和测试,本文提出了一种基于NLC调制的MMC多子模块工况模拟测试电路及其控制方法,并仿真验证了可行性和有效性。方案通过设计负载电流控制策略以及增加辅助桥臂、反串子模块及相关策略,实现了对待测子模块的电流、电容电压和开关时序的真实模拟,并大幅降低测试电路对直流源的要求,在保证测试工况与运行工况一致的前提下大幅降低测试成本、提高测试效率。

方案不仅可应用于MMC同一桥臂下多个待测子模块装机前的功能与有效性验证,还可应用于在测试平台上开展不同工况下子模块可靠性测试。通过功率半导体器件的结壳温测量、电容器的老化测试及容值、ESR(Equivalent Series Resistance)状态监测等,掌握子模块电热特性,为子模块器件可靠性优化研究提供测试条件,为子模块的控制方法与设计方法提供参考。

参考文献

[1]LESNICAR A, MARQUARDT R.An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range[C]//2003 IEEE Bologna Power Tech Conference Proceedings, June 23-26, 2003.Bologna, Italy:IEEE, 2004.

[2]DEBNATH S, QIN J C, BAHRANI B, et al.Operation, control, and applications of the modular multilevel converter:a review[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1):37-53.

[3]杨晓峰,林智钦,郑琼林,等.模块组合多电平变换器的研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33(6):1-15.

YANG Xiaofeng, LIN Zhiqin, ZHENG Trillion Q, et al.A review of modular multilevel converters[J].Proceedings of the CSEE, 2013, 33(6):1-15(in Chinese).

[4]WANG H, LISERRE M, BLAABJERG F.Toward reliable power electronics:challenges, design tools, and opportunities[J].IEEE Industrial Electronics Magazine, 2013, 7(2):17-26.

[5]王秀丽,郭静丽,庞辉,等.模块化多电平换流器的结构可靠性分析[J].中国电机工程学报,2016,36(7):1908-1914.

WANG Xiuli, GUO Jingli, PANG Hui, et al.Structural reliability analysis of modular multi-level converters[J].Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7):1908-1914(in Chinese).

[6]HAHN F, ANDRESEN M, BUTICCHI G, et al.Mission Profile Based Reliability Evaluation of Building Blocks for Modular Power Converters [C]//International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, May 16-18, 2017.Nuremberg, Germany:VDE, 2017.

[7]FOREST F, HUSELSTEIN J J, FAUCHER S, et al.Use of opposition method in the test of high-power electronic converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(2):530-541.

[8]王平,楚遵方.模块化多电平变流器子模块测试装置和测试方法:CN103018586A [P].2013-04-03.

[9]TANG Y, RAN L, ALATISE O, et al.A Model Assisted Testing Scheme for Modular Multilevel Converter [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016, 31(1):165-176.

[10]TANG Y, RAN L, ALATISE O, et al.Improved testing capability of the model-assisted testing scheme for a modular multilevel converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(11):7823-7836.

[11]YANG Y, MA K and WANG W.A mission profile emulator for sub-modules of modular multilevel converter with carrier phase-shift modulation [C]//10th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia, May 27-30.Busan, Korea(South), 2019.

[12]TANG J S, DONG Y F, YANG H Y, et al.An equivalent power test scheme for modular multilevel converters(MMCs)[C]//2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC), March 26-30, 2017.Tampa, FL, USA:IEEE, 2017:1837-1842.

[13]WANG Z X, WANG H, ZHANG Y, et al.A viable mission profile emulator for power modules in modular multilevel converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(12):11580-11593.

[14]屠卿瑞,徐政,管敏渊,等.模块化多电平换流器环流抑制控制器设计[J].电力系统自动化,2010,34(18):57-61.

TU Qingrui, XU Zheng, GUAN Minyuan, et al.Design of circulating current suppressing controllers for modular multilevel converter[J].Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(18):57-61(in Chinese).

[15]杨晓峰,郑琼林.基于MMC环流模型的通用环流抑制策略[J].中国电机工程学报,2012,32(18):59-65.

YANG Xiaofeng, ZHENG Trillion Q.A novel universal circulating current suppressing strategy based on the MMC circulating current model [J].Proceedings of the CSEE, 2012, 32(18):59-65(in Chinese).

[16]管敏渊.基于模块化多电平换流器的直流输电系统控制策略研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[17]李笑倩,宋强,刘文华,等.采用载波移相调制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制[J].中国电机工程学报,2012,32(9):49-55.

LI Xiaoqian, SONG Qiang, LIU Wenhua, et al.Capacitor voltage balancing control by using carrier phase-shift modulation of modular multilevel converters[J].Proceedings of the CSEE, 2012, 32(9):49-55(in Chinese).

[18]SONG Q, LIU W H, LI X Q, et al.A steady-state analysis method for a modular multilevel converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(8):3702-3713.

[19]王姗姗,周孝信,汤广福,等.模块化多电平电压源换流器的数学模型[J].中国电机工程学报,2011,31(24):1-8.

WANG Shanshan, ZHOU Xiaoxin, TANG Guangfu, et al.Modeling of modular multi-level voltage source converter[J].Proceedings of the CSEE, 2011, 31(24):1-8(in Chinese).

[20]刘普,王跃,雷万钧,等.模块化多电平变流器稳态运行特性分析[J].电工技术学报,2015,30(11):90-99.

LIU Pu, WANG Yue, LEI Wanjun, et al.Analysis of steady-state operating characteristics for modular multilevel converters[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(11):90-99(in Chinese).


Test Circuit and Control Strategies to Simulate Actual Operating Conditions of MMC's Multiple Submodules with NLC Modulation

YANG Yunxiao, MA Ke*
(Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Minhang District, Shanghai 200240, China)

Abstract: A modular multilevel converter(MMC)may contain a large number of submodules(SMs), which primarily govern the reliability performance of the MMC.However, it is expensive and inefficient to build a complete MMC system for the testing and validation of SMs.In this paper, a test circuit and control strategies is presented to simulate actual operating conditions of MMC's multiple submodules with NLC modulation.In the proposed testing scheme, the electrical behaviors(load current, capacitor voltages, switching sequence)of the SMs are close to actual MMC applications.Multiple SMs in the same arm can be tested simultaneously.The requirement of DC voltage for power supply is considerably reduced by employing auxiliary bridge arms, reversed SMs.The effectiveness and accuracy of the proposed test scheme are shown via simulation.The proposed test scheme can be used to check functions of SMs before packing and to test electrothermal characteristics on factory test platform to improve SMs' reliability.

Keywords: modular multilevel converter; submodule; test scheme; actual operation condition; reliability test


作者简介:


杨云霄

杨云霄(1994),男,硕士研究生,研究方向为模块化多电平变流器子模块工况模拟系统,E-mail:yyx_tj@163.com。

马柯(1985),男,特别研究员,博士生导师,主要研究方向电力电子可靠性理论与技术及其在柔性直流输电、可再生能源发电、电动汽车等领域的应用。通信作者,E-mail:kema@sjtu.edu.cn。

(责任编辑 张鹏)

  • 目录

    图1