适用于MMC的最近电平与载波移相调制策略对比研究

邓雪松 刘淼睿

摘 要 对应用于MMC-HVDC系统的最近电平、载波移相两种调制策略的原理进行了分析。利用PSCAD仿真软件，根据MMC的数学原理建立系统模型，研究了不通的调制算法的参数变化对系统的影响。通过改变电平数和频率大小的参数，对系统输出的谐波含量影响进行了对比，得到了不同调制策略中，输出谐波大小均与电平数及频率之间的关系，为系统应用的算法及参数选择提供了参考依据。

关键词 模块化多电平换流器（MMC）;最近电平;载波移相

引言

在MMC的拓扑结构中，子模块着串联的越多，输出的波形与正弦波的接近程度越高，因此谐波含量越低，无须额外的电感作为滤波器，因此，在柔直领域得到了广泛关注。由于电平数增高后，系统的调制算法变得越来越复杂，对运算系统的要求更好。在实际工程中，根据不同调制策略的优缺点，选取不同的调制策略应用于不同电平数的MMC-HVDC系统[1]。

1MMC-HVDC的调制策略

当MMC系统的电平数的参数选择很高时， 在考虑电容均压的情况下，PWM调制方式的运算量激增，不适用于MMC-HVDC系统。因此，对于高电平数的MMC系统，多采用的调制方式分为两种，一种是基于载波的PWM，另一种是排序法。目前，最近电平调制（NLM）和载波移相调制（CPS-PWM）应用得较多[2-6]。

1.1 最近电平调制策略

MMC换流器可输出N+1个电平（N为子模块数）0。当N较大时，普遍采用最近电平调制。可使得换流器输出的电压波形与正弦波更加相近，降低开关频率，减小系统运算量。

设us（t）为MMC换流器输出的交流电压，子模块电容电压为。若MMC上、下桥臂分别有N个子模块， 则任一时刻，MMC系统上、下桥臂投入的子模块推导如下：

式（1）中，INT（x）表示交流电压与电容电压的比值取整。每个桥臂投入的子模块个数与有关。输出波形如图1所示：

由于直流电压与之间满足：

在不考虑电容均压的影响下， NLM的调制方法采用排序法，理论上调制频率可以为基波频率，因此，在电平数增加后，与PWM调制相比，调制频率大大降低了。

1.2 载波移相调制策略

在多电平领域，多采用载波移相调制，其特点对于电平数很多的MMC-HVDC来说非常适合。CPS-PWM的优点在于，虽然实际频率很低，但在系统中的等效开关频率可以达到很高，原理如下：

若每组载波之间的移相角度θ与子模块个数N之间满足：

式中，N为每个桥臂的子模块个数。本文用五电平的MMC换流器的一相作进行说明。每个桥臂的子模块数为4个，4个三角载波之间的相角差为2π/4，4个载波分别与同一个正弦波比较，得到调制波如图2所示。

图2中，输出电压为子模块电压的N倍，相当于等效开关频率为N倍，设FR的关系为

其中，代表系统的基波频率，代表系统的载波频率。

也就是说，采用CPS-SPWM可以等效实现更高的开关频率。而高开关频率带来的是谐波含量的下降。

2仿真验证

2.1 电平数与谐波关系影响仿真

NLM调制下，输出电压与 us（t）相差不超过±uc/2之内。当系统确定后，直流侧电压保持不变，电平数与uc为反比例关系，因此阶梯波电压与调制波的差值也就越小。

CPS-PWM调制下，开关频率满足关系式：

因此通过电平数越大，得到谐波含量更低的输交流电压的同时，等效开关频率就越高，相当于变相降低了开关频率。

利用PSCAD软件对两种调制策略进行了仿真。得到了电平数N与交流侧阶梯波电压谐波含量之间的关系，如图3所示

从图3可以看出，在N较小时，两种调制策略下谐波含量均在10%以上， NLM的THD更高一些，若改变电平数参数使其增大时，谐波含量开始下降。当增大到20后，NLM与CPS-PWM对应的谐波含量相比，差值减小。

2.2 开关频率与谐波关系影响仿真

分别对两种调制策略下输出电压谐波含量与频率的关系进行仿真。

（1）除频率参数外，在PSCAD中搭建仿真模型仿真结果如图4所示。

图4中，当开关频率f的值在1000至 3000Hz的区间内时，随着f的增加，谐波含量下降，且下降幅度明显。当f大于3000后，谐波含量变化幅度很小，说明频率对谐波的改善影响作用已不明显。

（2）通過仿真得到CPS开关频率与谐波之间的关系，得到仿真结果，如图5所示。

从图5可以看出，当f小于250Hz时，随着f增大，谐波含量急剧下降;当f小于250Hz，随着f增大，谐波含量变化很小。因此采用载波移相调制时，需选取合适的FR。

3结束语

从以上仿真结果可以看出，在最近电平和载波移相调制策略下，其谐波含量均与电平数及频率有关。

随着电平数N增大，谐波含量降低，但当电平数达到一定程度时，N的增加对THD的影响较小。

对于频率参数的影响而言，在频率较低时，开关频率参数对谐波的影响更大，当频率较高后，开关频率参数的变化对谐波的影响迅速减弱。

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，2016，40（1）：1-10.

[2]  刘钟淇，宋强，刘文华. 基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统[J]. 电力系统自动化，2010，34（2）：53-58.

[3]  管敏渊，徐政. 模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法[J]. 电力系统自动化，2010（19）：69-73.

[4]  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.

[5] 李笑倩，宋强，刘文华，等. 采用载波移相调制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制[J]. 中国电机工程学报，2012（9）：49-55.

[6] 邓雪松. 基于模块化多电平的柔性直流输电控制策略研究[D]. 成都：西南交通大学，2014.

作者简介

邓雪松（1988-），男，职称：工程师，现就职单位：国网四川省电力公司乐山供电公司，研究方向：电力规划与项目前期管理，柔性直流输电控制策略。