华电学者提出模块化多电平换流器的动态建模及多目标控制方法

摘要：模块化多电平换流器（MMC）面临着设备体积重量大、成本高等挑战，其轻量化研究一直是行业关注的热点。华北电力大学新能源与直流电网课题组提出半波整形MMC（HWS-MMC）拓扑及其动态建模与多目标控制方法。研究系统梳理了混合MMC的拓扑和波形特征，从波形调制角度揭

模块化多电平换流器（MMC）面临着设备体积重量大、成本高等挑战，其轻量化研究一直是行业关注的热点。华北电力大学新能源与直流电网课题组提出半波整形MMC（HWS-MMC）拓扑及其动态建模与多目标控制方法。研究系统梳理了混合MMC的拓扑和波形特征，从波形调制角度揭示其轻量化优势，提出HWS-MMC拓扑构建思路；并对HWS-MMC多尺度平均值动态建模方法和多目标控制策略进行了深入研究。

研究背景

MMC是柔性直流输电高压大容量功率变换的主流方案，但其体积与重量大、成本高等问题在远海风电送出等场景中日益凸显。针对这一挑战，融合两电平拓扑和MMC拓扑优势的混合模块化多电平换流器（HMC）成为轻量化的重要技术路线。当前学界已提出包括本团队研发的半波整形MMC (HWS-MMC)在内的多种混合拓扑。

HWS-MMC具备替代传统MMC应用于柔性直流输电的潜力，但其动态建模和控制设计面临挑战：一是高/基频混合开关特性使系统非线性增强；二是基频半波换向会引入桥臂电容能量平衡约束问题，使功率控制与能量平衡的多目标控制解耦设计更为复杂。因此，建立HWS-MMC线性化动态模型并实现多目标控制是当前研究的关键问题。

论文所解决的问题及意义

本文通过建立多尺度开关周期平均化动态模型，实现了对HWS-MMC系统动态特性的完整数学描述；在此基础上提出了系统整体控制策略及参数设计方法，有效实现了系统功率控制与内部桥臂电容能量平衡（稳态/动态）多目标解耦控制，为HWS-MMC提供了完整的模型基础和控制解决方案，也为其他混合型MMC换流器控制设计提供了重要参考。

研究成果不仅对柔性直流输电MMC轻量化设计具有重要理论意义和应用价值，还可通过半波整形MMC背靠背结构提升交交换流器功率密度，对推动柔性低频输电应用也具有重要价值。

论文方法及创新点

1、HWS-MMC拓扑和元结构

提出基于半波整形思想的HWS-MMC拓扑概念（如图1），其相单元由多电平单元和换向单元构成。多电平单元进行正弦半波调制，换向单元连接交流侧和直流侧，将正弦半波翻转为完整正弦波；多电平单元仅需配置半波调制所需的子模块数，且每相只需一个多电平桥臂，故所需子模块数理论上可降至传统MMC的25%。

图1 HWS-MMC拓扑概念图

本研究系统梳理了现有轻量化混合MMC拓扑，根据换向单元和多电平单元的不同连接方式，总结了三种典型HWS-MMC元结构形式（图2）。对比分析可知，嵌入型HWS-MMC在调压能力和开关耐压方面具有综合优势，适合作为MMC轻量化替代方案。研究以该嵌入型HWS-MMC（文中简称HWS-MMC）为对象（图3），重点开展其动态建模与多目标控制策略研究。

图2 HWS-MMC典型元结构（a）并联型（b）串联型（c）嵌入型

图3 三相HWS-MMC拓扑

2、HWS-MMC多尺度全平均值动态建模

基于多电平高频开关特性平均化方法，建立了HWS-MMC交直流端口变量动态模型以及内部多电平单元变量动态模型，得到系统仍含基频开关特性的准平均值模型（图4）。在此基础上，采用时间尺度分离、慢变量稳态假设的方法消除了电流动态方程中的基频开关特性；采用低频周期平均化方法消除了桥臂电容和直流母线电容电压动态方程中的基频开关特性，得到了HWS-MMC全平均值动态模型。

图4 HWS-MMC准平均值模型等效电路

3、HWS-MMC多目标控制策略设计

在通过换向开关移相调制确保桥臂电容宽范围稳态能量平衡的基础上，基于所建立的多尺度平均值动态模型，完成了HWS-MMC整体控制策略设计（图5）。

首先根据状态反馈线性化方法设计了网侧电流环控制策略。其次，考虑移相控制引入的控制自由度，选择有功电流分量作为控制量，提出直流母线电容电压控制策略(图6(a))；选择换向单元移相角作为控制量，提出内部桥臂电容能量平衡控制策略(图6(b))。最后，基于电容电压、电流环得到三相换向单元的移相角及多电平单元的调制波后，提出移相换向控制逻辑及子模块均压控制（图7），以输出换向单元及多电平单元的基频/高频开关信号。文中给出了各环路相应控制器参数设计方法。

图5 HWS-MMC整体控制策略

图6 HWS-MMC两级直流电容电压控制（a）直流母线电容电压控制

图6 HWS-MMC两级直流电容电压控制（b）多电平单元模块电容电压控制

图7 移相换向及子模块均压控制框图

4、实时仿真验证

文中基于RT-Lab控制硬件在环实时仿真平台搭建了HWS-MMC系统，图8为HWS-MMC在电网电压扰动和负载扰动下的运行结果，验证了本文拓扑建模和多目标控制策略的有效性。

图8 电网电压和负载扰动下HWS-MMC波形结果（a）网侧相电压和相电流

图8 电网电压和负载扰动下HWS-MMC波形结果（b）直流母线电压及各相模块电容平均电压

图8 电网电压和负载扰动下HWS-MMC波形结果（c）桥臂电流、直流侧电流、有功和无功功率

图8 电网电压和负载扰动下HWS-MMC波形结果（d）桥臂翻转前后电压

结论

1）HWS-MMC交流侧特性与传统VSC类似；内部多电平单元电容特性与MMC类似，但存在能量平衡约束问题；直流输出侧特性与六脉动整流电路类似。多电平单元平均开关函数与正弦调制函数的关系除受半波换向拓扑约束，还与桥臂电容电压与直流母线电压稳态值之比有关。

2）HWS-MMC直流母线电容电压和桥臂电容电压两级直流动态相互独立，需分别设计控制器；通过附加移相控制实现桥臂电容电压相间均衡，修正子模块调制波实现相内均衡。

本文聚焦动态模型和控制策略，后续将开展：1）柔性直流输电场景的HWS-MMC拓扑优化及涉网适用性研究；2）面向低频输电的交交换流器高功率密度拓扑与控制研究。

团队介绍

华北电力大学新能源与直流电网团队依托于新能源电力系统全国重点实验室和河北省分布式储能与微网重点实验室，现有成员13人，其中教授2人、副教授5人、高工2人，负责人为王毅教授。团队聚焦新能源并网、柔性直流/低频输电等方向，发表SCI/EI论文300余篇（含ESI高被引2篇），授权发明专利50余项，承担国家自然科学基金、重点研发计划子课题等国家级项目10余项，获省部级奖励6项。