模块化多电平变流器调速系统变频控制
中国电工技术学会主办，2017年8月19-21日在北京铁道大厦举办，本届大会主题为“能源大变革时代——电工装备行业创新与发展之路”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
中国矿业大学信息与电气工程学院的研究人员殷实、谭国俊、方磊、曹晓冬，在2016年第20期《电工技术学报》上撰文指出，模块化多电平变流器（MMC）凭借着诸多优势成为高电压大功率工况下的核心拓扑。但MMC变频调速系统运行于低频状态时存在桥臂能量分配不均衡、子模块电容电压波动严重等问题，不仅影响变频器全速域运行能力，甚至威胁系统安全。
为解决上述问题，提出一种基于共模电压与偏置电压控制的MMC变频调速系统全速域运行方法，旨在通过控制系统各桥臂瞬时功率以快速抑制子模块电压波动。首先，构建系统数学模型，分析悬浮电容电压波动影响因素；其次，设计变频调速系统的低频控制器与在线模式切换环节；最后，为验证所提控制策略的可行性和有效性，对其进行仿真和实验的对比分析。
实验结果表明，所提控制策略能有效抑制MMC变流器子模块电压波动，完成不同频段平滑切换，降低系统损耗，改善系统输出品质，提升MMC系统安全运行能力。
模块化多电平变流器（Modular Multilevel Con- verters, MMC）作为一种新型多电平拓扑结构，凭借其共母线结构、高度模块化、输出品质高、谐波含量少、结构灵活、可自由延展等诸多优势，被广泛应用于中、高电压大功率直流输电、新能源并网、电能品质改善等诸多领域[1-7]。
随着对MMC系统研究的深入，不同调制策略、先进控制方法相继被提出[8-17]，将输出品质更高、结构更灵活的MMC应用于中、高电压大功率调速领域成为可能。区别于传统H桥级联拓扑结构，由于MMC数目庞大的子模块并不是由多抽头变压器独立供电，MMC运行于低频段时悬浮电容电压波动严重，电压平衡被破坏，各相上、下桥臂电流畸变率大，系统输出电压、电流品质较差，甚至中断系统安全运行。由于MMC在低频状态下存在种种问题，阻碍了其在电机驱动系统领域的发展。
文献[18]理论分析了MMC悬浮电容电压波动幅值的影响因素。文献[19]提出了一种注入高频共模电压与环流高频分量的控制（Injecting CommonVoltage and Circuit Current Control, IVC4）方法，从而达到抑制低频电容电压波动的控制目标。但上述方法仅讨论了特定调制度、特定频率的控制方法，并不适用于实时变化的变频调速工况。
文献[20,21]针对变调制度问题进行改进，引入离线查表法思想，实现不同调制度、不同频段的控制。上述方法中均通过控制高频环流分量从而达到抑制悬浮电容波动的目标，但由于环流高频控制分量的引入，致使系统环流幅值增大，开关应力升高。同时MMC环流高频分量控制器设计难度较高，高低频控制器理想控制参数均不同，在工程应用过程中可实现度较低。
为解决上述问题，本文提出一种基于方波共模电压与偏置电压匹配控制的MMC变频系统全速域运行方法（Injecting CommonVoltage and Bias Voltage control strategy, IBCV2）。分析MMC不同状态下各桥臂瞬时功率的变化，在低频控制环节，引入共模电压与偏置电压控制自由度。
解决MMC低频段电容电压波动、能量均衡问题，改善输出品质，增强系统低频状态下的可靠运行能力。同时降低控制器设计难度，提升控制器工程应用的可实现性，设计高低频控制模式切换环节，完成系统低频段与高频段的平滑过渡，实现变频调速系统的全速域高精度控制。最后，搭建MMC变频调速实验平台，通过仿真和实验验证所提控制策略的正确性与可实现性。
结论
MMC运行于低频状态下时，电容电压波动严重，输出品质恶化。MMC变频驱动系统若实现全速域运行，亟需设计低频控制器，对悬浮电容电压、桥臂电流等系统内部状态变量进行控制，从而提升系统控制精度与可靠运行能力。
本文以分析桥臂瞬时功率为基础，引入共模电压与偏置电压作为控制自由变量，消除MMC系统上、下桥臂功率偏差与各相总功率的低频分量，抑制悬浮电容的能量累积。同时在控制器模式切换环节中，引入模糊决策理论，在线修正控制分量，力求在系统损耗与控制精度之间寻求平衡点，完成高、中、低频控制的模式切换。
仿真与实验结果表明，所提IBCV2策略能有效地解决不同频段下子模块电容电压波动问题，提升系统输出品质，同时减小桥臂电流，降低开关应力与系统损耗。无需设计环流比例谐振控制器，简化了控制架构，提升了控制策略的可实现性。
IBCV2策略作为一种MMC变频调速系统的新型控制方法，为高电压大功率多电平变流器调速系统提供了新思路。