【专题论文】上海交通大学马柯：基于NLC调制的MMC多子模块工况模拟测试电路
发布时间:2020-04-13
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 文章导读 MMC系统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。子模块的可靠性对MMC系统的安全可靠运行有着重要影响，子模块所承受的真实应力对于子模块的设计与使用也至关重要。搭建完整的MMC系统对子模块进行可靠性测试成本高且效率低，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。 文章基于NLC调制策略，提出了子模块工况模拟测试电路及其控制方法，极大地减小了测试电路对直流源电压的要求，可在保证子模块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。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。 研究成果 1 根据现有文献，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，通过提出的电路结构大幅降低对直流电压源的需求，实现了硬件成本的降低。 2 针对所提出的电路拓扑，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，实现了子模块的真实工况模拟。 主要内容 MMC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。 多子模块工况模拟测试方案的电路拓扑如图1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。  ⬆ 图1 带有反串子模块的多子模块串联测试电路 工况模拟电路控制方案包括负载电流控制系统、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*。 图2所示为电流控制器控制框图，由于流入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），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。  ⬆ 图2 负载电流控制框图 工况模拟测试方案需要增加电容电压平衡控制环节。待测子模块电容电压平衡控制策略如图3所示，子模块电容电压通过辅助桥臂开关策略进行调节。  ⬆ 图3 子模块电容电压平衡策略 辅助桥臂用于控制负载电流对电容电压的充放电，其开关策略由子模块电容电压与参考电压之差以及流入子模块的电流所决定，开关状态如表1所示。 ⬇ 表1 辅助桥臂控制策略  电路采用反串子模块抵消待测子模块的直流分量。其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4所示。反串子模块的电容电压平衡控制采用开关序列延迟开通与延迟关断来控制反串子模块电容的充放电，如表2所示。  ⬆ 图4 反串子模块控制策略 ⬇ 表2 反串子模块开关延迟策略  本方案同时对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，图5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6所示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5 负载电流实际值与参考值对比  ⬆ 图6 待测子模块与反串子模块电容电压波形 可以看出，负载电流与参考值波形一致，易观测出直流分量以及基波分量。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，实现了对实际MMC中子模块工况的模拟。 本文引文信息 杨云霄，马柯. 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[J]. 全球能源互联网，2020，3(2)：199-204. YANG Yunxiao, MA Ke. Test circuit and control strategies to simulate actual operating conditions of MMC’s multiple submodules with NLC modulation[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(2): 199-204(in Chinese). 研究团队 上海交通大学风力发电研究中心致力于风力发电、直流输电以及储能技术的科研和教学工作，研究团队成员50余人，主要从事风电机组电气控制系统、大规模风电交直流并网以及大容量电池储能接入技术研究、电池储能变换与并网等研究方向。风力发电研究中心承接20多项国家863项目、国家自然科学基金项目，30多项上海市科委项目，100多项企业重大项目。 马柯特别研究员领导的电力电子可靠性研究小组，致力于电力电子可靠性理论与技术及其在柔性直流输电、可再生能源发电等领域的应用。研究小组近3年来已发表论文30余篇，申请发明专利20余项。承接包括国家重点研发计划“智能电网技术与装备”重点专项子课题、国家自然科学基金、台达电力电子科教发展计划重点项目，中澳国际合作项目等多个研究课题。 作者简介  杨云霄 硕士研究生 主要研究方向模块化多电平变流器子模块工况模拟系统 E-mail：yyx_tj@sjtu.edu.cn   马柯 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 E-mail：kema@sjtu.edu.cn 编辑：张鹏 审核：白恺 |
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