基于最近电平调制的MMC控制策略研究及仿真

赵 永，赵艳雷，巩 晓，梁世林

(山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博 255049)

基于最近电平调制的MMC控制策略研究及仿真

赵 永，赵艳雷，巩 晓，梁世林

(山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博 255049)

模块化多电平换流器(MMC)因其开关耗损小、不依赖于器件串联技术等优势，成为高压大功率变流领域的研究热点.简要分析了基于MMC的最近电平调制(NLM)的原理，在电容电压排序法的基础上提出了上下桥臂电压的平衡控制.在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了基于MMC的最近电平逼近调制及其整流的仿真，结果表明最近电平逼近调制方式十分适用于MMC的大功率场合.

模块化多电平变流器；最近电平逼近；子模块；电容电压；排序

模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)既可以用在静态同步补偿器，又可以应用于高压直流输电、统一电能质量控制器和统一潮流控制器等多种电力电子装置中，具有广泛的应用前景[1].MMC是通过子模块串联构成其桥臂的，其模块化程度高，易于工程实现；通过灵活变化MMC串联的功率单元的数目可以达到变换MMC的电压及功率等级的目的；MMC随着电平数的增多，其输出电压谐波含量越少，电压畸变也越小，因此其调制波可采用较低的开关频率，降低损耗，提高效率.

调制技术是MMC得以实现的关键技术之一，在多电平变换器中常见的调制策略主要有指定次谐波消除法、载波移相脉宽调制策略、多载波PWM方法和电压逼近调制等.指定次谐波消除法(SHE-PWM)是采用N个开关角度的选择来消去N-1个高次谐波分量.文献[2]指出其开关角方程组的求解亦十分复杂，不能实现在线调节；载波移相脉宽调制策略(CPS-SPWM)是将载波与调制波进行比较，因其各个子模块都需要一个不同的载波，文献[2,3]指出其开关频率高，且对于多电平数系统，其调制算法过于复杂；多载波PWM是采用N个分配均匀且幅度相同的载波分别与调制波进行比较.文献[4,5]指出其内部的功率器件开关频率较高；而电压逼近调制策略按采用方法的不同又可以分为空间矢量调制(SVM)与最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation,NLM)这两种.SVM是用最近的电压矢量来逼近调制波.文献[6,7]指出SVM电压矢量合成十分复杂，不适用于高压大功率系统.NLM是使桥臂的输出电平最接近于参考电平，当电平数不断增加时，其输出电压谐波畸变率越低，具有开关次数低、实现简单等优点.文献[7-9]指出NLM非常适用于大功率场合.在不同应用场合，上述方法各有优劣，故在实际应用中，要根据不同场合选取其合适的调制方法.

MMC的每个桥臂都是由一系列相互独立的子模块串联而成，且这些元器件为非理想元器件，易造成功率单元电容电压的波动，而电容电压的稳定性是决定MMC性能的关键技术之一.为了保证桥臂电压的平衡，在电压排序法的基础上进行了改进，以确保子模块的投切状态及桥臂电压的调节以达到MMC桥臂电压的平衡的目的.本文通过对NLM的原理分析，提出了桥臂电压均衡控制，并对NLM适合于大功率场合进行了仿真验证，最后对MMC的整流应用进行了仿真.

1 MMC的基本原理

在典型的三相(n+1)电平MMC主电路图中a、b、c三相分别由上桥臂与下桥臂组成，上下桥臂分别由n个子模块和一个电抗器Ls串联组成,每个子模块(也称功率单元)均由单独的桥臂电容Ci和IGBT半桥构成.为了抑制MMC中的环流，一般要求在MMC运行过程中某一相上、下桥臂共有n个子模块投入运行，其余n个子模块旁路.在MMC运行过程中，调制信号决定了每个半导体开关器件的开关状态，这些开关状态又决定了电容充放电的时间，从而保证了电容电压的平衡.

MMC正常工作时的四种基本开关状态见表 1.其中1表示导通，0表示关断.

表1 子模块的开关组态

模式T1D1T2D2iSMUSM电容状态10100>0UC充电21000<0UC放电30010>00旁路40001<00旁路

2 最近电平逼近调制

为了得到更好的MMC输出波形，选取合适的MMC控制技术显得尤其重要.NLM是使桥臂输出电平在任意时刻都尽可能地接近于参考电平.采用最近电平调制时，最关键的技术之一是选取合适的子模块在MMC主电路上进行投切，使其输出尽可能地逼近调制波的电压值.以图1为例，上桥臂子模块数目为N.假设MMC各功率单元的电压为Udc/N，某相输出电压为uj*.由文献[5]中MMC的单相等效示意图，能够得到上、下桥臂参考电压：

(1)

(2)

将式(1)和式(2)分别对功率单元的电容电压Udc/N取整可得桥臂投切的子模块的数量分别为

(3)

(4)

其中round函数用于取整.

3 直流电容电压均衡控制

目前被普遍接受的MMC电压平衡策略是基于子模块电容电压排序法.传统的电压均衡控制方法是将所有功率单元的电容电压均与其参考值进行比较，然后根据桥臂电流的流向对桥臂电容进行充电或放电，这样增加了系统的复杂性和运算量，并且不能保证上、下桥臂电压的平衡.

在此基础上，提出了桥臂电压的均衡控制，具体方法如图1所示.其中电容电压平衡控制，以上桥臂为例，是将每个桥臂的桥臂电流iNj和各子模块电容电压Vjk(j=a,b,c代表相数，k=1,2,…，n代表模块编号)同时检测出来，并对桥臂子模块电容电压进行排序；若iNj>0，如图1(a)所示，根据公式(3)选取上桥臂电压值低的Np个功率单元投入主电路，充电完成后这Np个电容电压升高；同理，若iNj<0，如图1(b)所示,也由公式(3)选取上桥臂电压值较高的Np’个功率单元投入主电路，放电完成后这Np’个桥臂电容电压降低.下桥臂与上桥臂类似.

(a) iNj>0

(b) iNj<0

(c)MMC桥臂电压控制图1 MMC电压均衡控制

4 仿真分析

在Matlab/Simulink上搭建了由8个和16个子模块组成的基于NLM的模块化多电平换流器的仿真模型及应用.具体参数设置分别如下：

1) 桥臂子模块数n=8；直流输入电压Udc=12kV；子模块电容值C=11mF;桥臂电感L=2mH;电压基波频率为50Hz，网侧内阻为6Ω，没有电压平衡控制.仿真结果如图2所示.

2) 带电压平衡控制；其余与1)相同.仿真结果如图3和图4所示

3) 桥臂子模块数n=16；其余与2)相同.仿真结果如图5和图6所示.

由图2和图3可知，MMC加上电压平衡控制后，其电压输出波形更接近正弦波，且电压谐波畸变率更低；由图3和图5可知，采用基于排序法的最近电平调制方式的MMC的输出电压波形接近正弦波，当电平数增加时，其输出电压谐波畸变率明显降低.由图4和图6可以看出上下桥臂子模块实时的投切数目，其总和一定为4或8.

4)MMC在高功率因数整流中的应用仿真,具体参数为：交流电压幅值为25kV；直流负载为40欧姆；其余与2)相同.其仿真模型与结果分别如图7和图8所示.

图2 无电压平衡控制的MMC输出电压波形及FFT分析

图8(a)分别为有功/无功功率(其中虚线是有功功率)、直流电压、调制指数；图10(b)为交流侧电流和电压(虚线是电流)；图8(c)为A相上下桥臂电容电压.从图9可知，无功功率为0Var,功率因数接近1，直流负载电压保持8 000V，交流侧电压不变，电流在启动时有较大波动，且桥臂电容电压实现了均衡控制.

图3 经电压平衡控制的MMC输出电压波形及FFT分析

图4 子模块投切数目

图5 MMC电压波形及FFT分析

图6 子模块投切数目

图7 MMC整流仿真模型

(a)

(b)

(c)图8 MMC整流仿真结果

5 结束语

结合NLM控制策略，在电容电压排序法基础上，提出了桥臂电压的均衡控制，并仿真验证了电压平衡控制的必要性. 在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了最近电平逼近的控制策略仿真，验证了NLM十分适合于大功率场合的MMC控制.在Matlab/Simulink平台上搭建了基于MMC的整流仿真，通过仿真可知MMC整流在直流电容电压均衡控制的基础上实现了直流负载电压的稳定.

[1]朱劲松. 基于模块化多电平换流器的STATCOM研究[D]. 南京:南京理工大学, 2013.

[2]张明. 模块化多电平变换器的控制策略研究[D]. 杭州:浙江大学, 2014.

[3]BAIZ,ZHANGZ,ZHANGY.AGeneralizedThree-PhaseMultilevelCurrentSourceInverterwithCarrierPhase-ShiftedSPWM[C]//PowerElectronicsSpecialistsConference,2007.PESC2007.IEEE.IEEE, 2007:2 055-2 060.

[4]孙浩. 模块组合多电平变换器(MMC)的控制策略研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2010.

[5]杨晓峰. 模块组合多电平变换器(MMC)研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2012.

[6] 李强, 贺之渊, 汤广福,等. 新型模块化多电平换流器空间矢量脉宽调制的通用算法[J]. 电网技术, 2011, 35(5):59-64.

[7] 王楚, 宋平岗, 李云丰. 模块化多电平变流器的最近电平逼近调制策略[J]. 大功率变流技术, 2012(4):20-22.

[8] 管敏渊, 徐政, 潘伟勇,等. 最近电平逼近调制的基波谐波特性解析计算[J]. 高电压技术, 2010, 36(5):1 327-1 332.

[9] 李鹏鹏, 郭家虎, 梁克靖. 基于MMC的最近电平逼近调制谐波特性分析[J]. 电源技术, 2014, 38(4):759-763.

(编辑：刘宝江)

Control strategy research and simulation for MMC based on NLM

ZHAO Yong, ZHAO Yan-lei, GONG Xiao, LIANG Shi-lin

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Modular multilevel converter was hot in the research field of high-voltage power converter, for its advantages of small switching loss, independent device tandem technology. Then, the principles of MMC for the nearest level was briefly analyzed, and the balance control of the upper and lower arms voltage on the basic of the capacitor voltage sequencing method was proposed. The MMC modulation and rectifier based on NLM was simulated by Matlab/Simulink software. And the results showed that NLM method was extremely suitable for large power application.

modular multilevel converters；nearest level modulation；sub-module；capacitor voltage；sorting

2016-04-19

山东省自然科学基金项目(ZR2011EEQ025)

赵永，男，1377612291@qq.com； 通信作者：赵艳雷，男，zhaoyanlei01@163.com

1672-6197(2017)02-0022-05

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