模块化电平变流器控制理念研究

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1、模块化电平变流器控制理念研究第1章绪论1.1引言随着电力电子技术在新能源、智能电网等方面的应用，高压大功率的电力电子设备日益受到关注。由于目前半导体功率器件发展水平的限制，传统的两电平拓扑远不能满足高压大容量电力电子领域的应用需求，因此多电平变流器应运而生。1980年A.Nabae等人提出了中点箱位型多电平变换器的概念[6]，即通过改进变换器的拓扑结构来产生多于两个电平的输出，保证功率器件的耐压维持在较低的水平，以实现高压大功率应用目标的一种新型变流器。由于多电平变换器是采用多个电平叠加的阶梯波来逼进正弦波，因此其输出具有较

2、好的电能质量。多电平变换器主要有以下几个方面的优点：?主电路的开关器件可以工作在较低的开关频率，减少了开关损耗，提高了变换器的效率；多电平电路通过多个电平来实现较高的输出电能质量。?多电平变换器可以使输入电流相对平滑，输入电流谐波含量比较小；?通过电平数的增加使每个功率器件上的电压应力相对减少，可以使用低电压等级的器件，产生很小的共模电压；?采用阶梯波来逼近正弦波，输出谐波含量小，且dv/dt比较小，降低电磁干扰。多电平变换器也有几个方面的缺点。首先，随着电平数的增加，引入了电压不平衡的问题；其次，随着电平数的增加，所需的功

3、率器件数目大幅增加，相应的导通损耗也增加；另外，多屯平电路所需的控制系统相对复杂，需要实现对多个功率器件的平衡控制。1.2模块化多电平变流器概述2002年RainerMarquardt首次提出了模块化多电平变流器(MMC)的概念和拓扑，此种拓扑在因其良好的输出电能质量、器件耐压低、冗余特性等优点在变频器、新能源发电、储能系统、高压直流输电领域的具有非常广阔的应用前景[14]。可以看出，MMC的电路拓孙具有模块化、冗余、易于扩展等特点，便于实现集成化设计，缩短项目周期，节约成本，适合于高压大功率的场合。同时MMC的三相拓扑具有

4、公共直流母线，可以实现系统的四象限运行。各相桥臂中串联的电感，可以抑制各相桥臂瞬时电压不均衡而引起的相间环流，提高系统的可靠性。此外，用电容代替了级联H桥型多电平变流器中的直流电源，省去了隔离：电源所需的变压器，减小了系统的体积和价格。当子模块的上管开通而下管关断时，子模块处于插入状态，即了模块的直流电容串接在电路里。在插入状态时，如果该子模块所处桥臂的桥臂电流为正，子模块电容充电；如果该子模块所处桥臂的桥臂电流为负，子模块电容放电。当模块的上管关断而下管开通时，子模块处于切出状态，即子模块的直流电容被旁路。因此，每个子模块

5、的输出端口电压有0和两种，通过将各个了模块的输出端级联，可以得到一个含有多个电平的阶梯波，且子模块的个数越多，阶梯波的电平数越多，输出越接近正弦波。传统多电平变流器的控制策略主要有：阶梯波调制、载波相移调制、空间矢量调制等，而模块化多电平变流器的控制和调制策略可以采用传统的多电平控制策略，但是需要满足一些不同的特殊要求，比如子模块电容电压的稳定控制、谐波控制等等。下面介绍一下常用于模块化多电平变流器中的控制策略。同相层叠式载波调制（phasedispositionmodulation),即所有载波具有相同的相位、幅值和频率，

6、且共用一个调制波，但各载波具有不同的电压偏置，如图1.7(a)所示，为一个桥臂中四个子模块所用的载波。当调制波小于载波时，把相应的功率器件关断；当调制波大于载波时，则功率器件导通。下面的阶梯波为一相调制的输出波形，可以看出每个功率器件的开关次数增多，且在一段区间内比较集中；输出电压的谐波含量有所降低；但是同相层叠载波调制法中上端和下端载波所对应的功率器件的开关次数要远大于中间两层功率器件的开关次数，不利于器件的平衡利用。1.7(b)是对此种调制方法的一种改进，即提高中间两层载波的频率，从图中可以看出器件的开关次数更为均衡[1

7、8]。第2章控制策略分析MMC系统常用的控制策略主要有两种：基于载波移相的控制策略和基于电容电压排序的直接调整控制策略。本章采用一个单相十个子模块的模型分别分析了两种控制策略的控制过程及调制方式。基于载波移相的控制策略应用于模块化多电平变流器系统中时，主要包括两个部分：子模块电容电压的稳定控制和载波移相的调制方式。子模块电容电压的稳定控制，是为了满足MMC系统中子模块的电容电压要保持稳定值的特殊要求；而载波相移的调制方式用于满足MMC系统输出电压指标的要求。子模块电容电压的均衡控制是指分别控制各个子模块的电容电压Vcj.使其

8、跟随额定的参考工作电压值VC、如图2.1中平衡控制的框图所示，其实现方法是通过实时比较子模块的电容电压与额定参考电压，结合该子模块所处桥臂的桥臂电流的方向，来决定子模块的工作状态。假如桥臂电流为正，当子模块的电容电压低于额定参考电压时，则调制波分量增大，调制波随之增加，子模块在一个载波周期