一种基于电容电压排序的MMC均压策略

谢佩韦，黎 曙，朱 磊

一种基于电容电压排序的MMC均压策略

谢佩韦，黎 曙，朱 磊

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

子模块电容电压平衡问题是模块化多电平变换器（MMC）控制中的重难点，也是影响MMC输出特性的重要因素之一。本文分析了一种基于电容电压排序的子模块均压策略，其根据各子模块电容电压值和桥臂电流流向，给各子模块分配相应脉冲信号以实现均压控制。通过在Matlab/Simulink平台上的仿真分析，验证了此均压策略的正确性及有效性。

模块化多电平变换器 电容电压平衡 均压策略 电容电压排序

0 引言

自上世纪80年代日本学者A.Nabae等人提出多电平电力电子变换器的概念以来，在近几十年的时间里，多电平电力电子变换器技术得到了飞速的发展及各领域的广泛应用。无论是在高压交直流输电场合还是电气传动领域都可以频繁见其“身影”。目前，较为常见的多电平电力电子变换器电路有：电容钳位型多电平变换器、二极管钳位型多电平变换器以及H桥级联型多电平变换器这三种拓扑结构[1, 2]。

在2002年，一种新型的多电平电力电子变换器拓扑结构——模块化多电平变换器（MMC）被首次提出。该电路拓扑一经提出就引起了各地学术界与工业界的广泛探讨、研究，其相比于其他传统的多电平电力电子变换器有着诸多独特优势。目前，对MMC控制的几个主要研究方向为调制策略、子模块电容电压均衡策略以及桥臂内环流的抑制策略。其中，针对MMC各个子模块中悬浮电容的电压均衡控制是研究MMC控制中的重难点所在[3]。

本文研究了一种基于电容电压排序的子模块均压策略，可以将MMC各个子模块的电容电压都控制在额定值上下较小的范围内波动，有效地实现各子模块电容电压的动态平衡。

1 MMC拓扑结构及工作原理

图1所示的是双星型结构三相MMC逆变器电路拓扑。从图中可以看出，三相MMC逆变器的a、b、c三相电路结构完全对称，每相都由上、下两个桥臂组成，每个桥臂包含了SM1～SMn的N个拓扑结构完全相同的子模块。

图1 三相MMC逆变器拓扑2MMC子模块拓扑

图2所示的是MMC各子模块的电路拓扑，其由两个反并联了二极管D1、D2的开关器件VT1、VT2串联后再与一个直流电容C并联构成。子模块共有三种不同的工作状态：1）当VT1导通、VT2关断时，子模块处于投入状态，此时桥臂电流通过D1对子模块电容充电或经过VT1对子模块电容放电，子模块端口电压为电容电压U；2）当VT1关断、VT2导通时，子模块处于切除状态，此时桥臂电流不流经电容，电容被旁路，子模块端口电压为0；3）VT1、VT2均关断，此状态不会出现MMC的正常运行情况下。基于以上分析可知，通过控制子模块中开关管VT1、VT2的开通、关断可以控制子模块输出不同的端口电压，进而可以控制MMC逆变器的输出电压。为了保证MMC拥有较好的输出特性，在任意时刻都控制MMC每相的上、下桥臂一共投入N个模块，此时MMC相电压的输出电平数为N+1

2 载波层叠调制

载波层叠调制是MMC常用的一种调制策略如图3所示，其是将N（一个桥臂的子模块数量）个在坐标系y轴方向上错层分布的三角载波与给定的桥臂电压正弦参考波相比较，再将比较后产生的开通、关断脉冲分配给子模块的上管（下管脉冲取反），从而控制子模块的投、切状态[4,5]。

上节提到，子模块开关管不同的通断状态决定了子模块不同的工作状态，下面结合载波层叠调制进行分析。在一个载波周期内，如果桥臂电压参考波一直大于载波，则对应子模块投入；在一个载波周期内，如果桥臂电压参考波一直小于载波，则对应子模块切除；在一个载波周期内，如果桥臂电压参考波与载波有交错，则对应子模块在投入和切除状态中转换。

图3 载波层叠调制

根据载波层叠调制的特点不难分析出，载波所处的层级越低，其小于参考波的时间就越长，对应子模块投入的时间也就越长；载波所处的层级越高，其小于参考波的时间就越短，对应子模块投入的时间也就越短。各子模块因对应载波所处的层级不同，导致投入的时间不一致，故各子模块电容得到充放电的时间也不一致，从而引起各子模块电容电压的不平衡。

为了解决载波层叠调制下的各子模块电容电压的不平衡问题，当桥臂电流大于0即子模块电容充电时，希望投入电容电压较低的子模块较长时间；电流小于0即子模块电容放电时，希望投入电容电压较高的子模块较长时间。这样能使电容电压较低的子模块得到更多的充电，使电容电压较高的子模块得到更多的放电，从而有效维持各子模块电容电压的动态平衡。基于电容电压排序的子模块均压策略正是以这种思路为基础被提出的。

3 基于电容电压排序的子模块均压策略

MMC在采用载波层叠调制时在一个载波周期内可能会产生三种不同的脉冲，分别是开通脉冲使对应子模块在这个载波周期内投入，关断脉冲使对应子模块在这个载波周期内切除，PWM脉冲使对应子模块在这个载波周期内投入、切除状态切换。基于电容电压排序的子模块均压策略希望结合各子模块电容电压的大小关系及桥臂电流的流向重新给各子模块分配这三种不同的脉冲，从而实现各子模块电容电压的动态平衡。

基于电容电压排序的子模块均压策略流程图如图3所示，下面以三相MMC的a相上桥臂为例，结合策略流程图，对均压策略的实现方法进行详细分析。

图3 基于电容电压排序的子模块均压策略流程图

（1）在一个载波周期内，a相上桥臂内N个子模块对应的N路三角载波与桥臂电压参考波进行比较，比较后产生N路脉冲信号Kp1、Kp2…Kpk…Kpn，假定第k路脉冲信号Kpk为PWM脉冲，则Kp1～Kp（k-1）这k-1路脉冲为关断脉冲（PWM脉冲之前的脉冲信号为关断脉冲），Kp（k+1）～Kpn这n-k路脉冲为开通脉冲。

（2）对a相上桥臂N个子模块的电容电压及a相上桥臂桥臂电流Ipa进行采集，并按照大小的关系对这N个子模块的电容电压进行排序，排序后得到一个由大到小的电容电压序列Uc1＞Uc2＞…＞Ucn，并获取Uc1～Ucn与这N个子模块的对应关系。

（3）通过采集到的a相上桥臂桥臂电流Ipa重新分配脉冲。如果Ipa大于0，桥臂电流对子模块电容充电时，将Kp1～Kp（k-1）这k-1路关断脉冲分配给电容电压最大的k-1个模块，即电容电压Uc1～Uc（k-1）对应的子模块；将Kpk这一路PWM脉冲分配给Uck所对应的子模块；将Kp（k+1）～Kpn这n-k路开通脉冲分配给电容电压最小的n-k个子模块，即电容电压Uc（k+1）～Ucn对应的子模块。

如果ipa小于0时，桥臂电流对子模块电容放电时，将Kp1～Kp（k-1）这k-1路关断脉冲分配给电容电压最小的k-1个模块，即电容电压Uc(n-k+2)～Ucn对应的子模块；将Kpk这一路PWM脉冲分配给Uc(n-k+1)所对应的子模块；将Kp（k+1）～Kpn这n-k路开通脉冲分配给电容电压最大的n-k个模块，即电容电压Uc1～Uc(n-k)对应的子模块。

通过以上分析基于电容电压排序的子模块均压策略是根据各子模块电容电压的大小关系及桥臂电流的流向重新给各个子模块分配脉冲信号，使得电容电压较高的子模块得到较多的放电较少的充电，电容电压较低的子模块得到较多的充电较少的放电。从而达到子模块电容电压均衡控制的目的。

4 仿真分析

为证明上节介绍的基于电容电压排序的子模块均压策略的有效性，本文在Matlab/Simulink平台上搭建了三相五电平MMC模型，采用此均压策略结合载波层叠调制，进行仿真分析，所用仿真参数见下表。

表1 MMC仿真参数

图4所示的是采用基于电容电压排序的子模块均压策略后，MMC交流侧得到的三相五电平（N+1,N=4）的相电压波形，五个电平数值分别为0、±Ud/4、±Ud/2。三相相电流波形为a、b、c互差120°的正弦波，波形曲线平滑无畸变。

图4 MMC三相相电压输出波形、三相相电流输出波形

图5所示的是采用基于电容电压排序的子模块均压策略后得到的桥臂内各子模块的电容电压波形，可以看到采用均压策略后各子模块的电容电压曲线重合度较高、一致性好，且相较于电容电压额定值200 V的波动范围不超过10 V。证明此均压策略可以有效地实现各子模块电容电压的动态平衡，并且将电压的波动值控制在允许范围内。

图5 子模块电容电压

图6所示的是MMC输出相电压的FFT分析，相电压的基波幅值为319.7V（约等于半母线电压*调制比），谐波分量主要集中在载波频率4kHz附近，此谐波特性是由所采用的调制方式——载波层叠调制决定的。

图6 相电压FFT分析

5 结论

本文分析了一种基于电容电压排序的子模块均压策略，其根据各子模块电容电压的大小关系和桥臂电流流向，给各子模块分配相应脉冲信号，从而实现各子模块电容电压的均衡控制。并在Matlab/Simulink平台上搭建了三相五电平的MMC模型，采用载波层叠调制并加入此均压策略进行了仿真分析，证明了均压策略的有效性。

[1] 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, 2011.

[2] 李永东, 依鹏. 大功率高性能逆变器技术发展综述[J]. 电气传动, 2000, (6): 3-8.

[3] Glinka M, Marquart R. A new AC/AC multilevel converter family[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(3): 662-669.

[4] 张建坡, 赵成勇. 模块化多电平换流器环流及抑制策略研究[J]. 电工技术学报, 2013, 28（10）: 328-336.

[5] 丁冠军, 丁明, 汤广福, 等. 新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略[J]. 中国电机工程学报，2009, 29(30): 1-9.

A voltage balancing scheme of MMC based on capacitor voltage sequencing

Xie Peiwei, Li Shu, Zhu Lei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2023）08-0065-04

2022-08-25

谢佩韦(1991-)，男，硕士。研究方向：电力电子技术。Email: 2269677562@qq.com