模块化多电平变换器模型简化及电容电压控制研究

刘万勋 刘永民 邵红博 苗福丰

摘 要：模块化多电平变换器作为新一代适用于高电压大功率拓扑，能有效克服传统两电平变换器高谐波、高损耗、波形质量差等缺点，在工业及输电领域得到广泛应用。模块化多电平变换器的多桥臂多子模块结构直接导致建模困难、数学模型复杂和电容电压的平衡问题。本文针对当前数学模型的复杂性进行研究，构建适合稳定分析的简化模型，同时提出一种新的电容电压平衡方法。仿真验证了所提出的电压平衡法的有效性和数学模型的正确性。

关键词：模块化多电平;电压平衡;仿真

中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）29-0133-03

Abstract： Modular multilevel converter， as an emerging topology of high-voltage high-power applications， can effectively overcome the shortcomings of traditional two-level converters， such as high harmonic， high loss， poor waveform quality and so on， which has been widely used in industry and transmission fields. The multi-arm multi-sub-module structure of modular multi-level converter directly leads to the difficulty to model itself， as well as the complexity of mathematical model and the balance of capacitor voltage. Aiming at the complexity of the current mathematical model， a simplified model suitable for stability analysis was constructed， and a new method of capacitor voltage balance was proposed. The validity of the proposed voltage balance method and the correctness of the mathematical model were verified by simulation.

Keywords： modular multilevel;voltage balance; simulation

多电平变换器主要包括二级管钳位型、飞跨电容型和级联多电平型，但以上多电平变换器依次具有开关管损耗分布不均、电容电压平衡困难、不便于功率扩展等缺点[1，2]。而模块化多电平变换器以其模块化、功率易于扩展、冗余性好、输出波形质量高等诸多优点被公认为最具前景的多电平拓扑结构，已被成功应用于电力机车牵引、中高压输电网补偿控制、柔性交流输电及柔性直流输电等领域[3-5]。

1 简化数学模型

鉴于当前模块化多电平变换器数学模型的复杂性，为适应稳态问题分析的要求，本文从功率流动的角度把模块化多电平数学模型简化为相互耦合的直流环节和交流环节，直观地描述能量转化方式。相应地，系统的控制结构也可分成反映功率流的输入/输出控制，以及反映内部功率平衡的电容电压平衡控制。

按照模块化多电平结构并对公式做适当处理得到：

本文对传统电容电压平衡方法进行改进，调制基于相移CPSPWM方法，无需对桥臂内所有子模块电压进行平衡控制。改进平衡方法，通过算法挑选电压最高和最低的子模块，通过调制信号修正，达到高电压子模块电压降低和低电压模块电压下降效果，修正的调制信号如下：

式中，[Δd]为补偿信号。式（9）右边的直流分量对应模块化多电平变换器的输入、输出功率，两项大小相等符号相反，在一个桥臂中相互抵消，右边第三项直流分量是改进平衡方法中实际的功率修正量。

3 仿真驗证

仿真根据本文建立的简化模型和改进的电容电压平衡方法进行。主要参数如表1。仿真结果见图1。

图1表明，在加入桥臂内电容电压平衡控制前后，上桥臂子模块电容电压从有明显偏差到快速收敛的过程。从左图圆圈处局部放大图可以看出，为两个互补的非零补偿量，从而避免了对桥臂电压的影响。

4 结语

本文通过建立模块化多电平变流器简化数学模型，更加形象地说明功率的转化方式，便于稳态分析。此外，改进了电容电压平衡方法。该方法无需对所有电容电压排序，降低了计算量，提高了系统的响应速度。

参考文献：

[1]杨晓峰，郑琼林，薛尧，等.模块化多电平换流器的拓扑和工业应用综述[J].电网技术，2016（1）：1-10.

[2] Lesnicar A， Marquardt R. An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for A Wide Power Range[C]// Power Tech Conference Proceedings， 2003 IEEE Bologna. IEEE， 2004.

[3]辛业春，王朝斌，李国庆，等.模块化多电平换流器子模块电容电压平衡改进控制方法[J].电网技术，2014（5）：1291-1296.

[4]许建中，赵成勇，Aniruddha，等.模块化多电平换流器戴维南等效整体建模方法[J].中国电机工程学报，2015（8）：1919-1929.

[5]杨云森，郭育华.单相模块化多电平变流器控制策略研究[J].电源学报，2015（2）：88-93.