模块化多电平变换器的平均值建模与控制.pdf

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1、模块化多电平变换器的平均值建模与控制张国驹陈瑶于蓉蓉ABB(中国)研究院北京100015摘要模块化多电平变流器（MMC）因其高质量输出波形、低运行损耗、高可靠性等优势，在直流输电、电机传动、FACTS和新能源发电等领域已成为了研究热点之一。本文通过分析MMC的工作原理和数学模型，建立了MMC的详细模型，并在此基础上推导得出了平均值模型，以及针对环流和电容电压波动等特殊问题的控制方法。最后，以典型中压直流变流系统为例对MMC的平均值模型进行了仿真分析，验证了MMC平均值模型及其控制方法的有效性以及在中压直流系统应用的可行性。关键

2、词：模块化多电平变流器平均值模型中压直流系统仿真分析动等特殊问题的控制方法。最后，以典型中压直流1引言变流系统为例，在稳态运行和负荷波动工况下对R.Marquardt于2002年首次提出了模块化多电MMC的平均值模型进行了仿真分析，验证MMC平变流器（MMC）的概念[1]，相比较于其他高压大平均值模型及其控制方法的有效性及其在中压直功率变换器技术如器件直接串联/并联技术、多重化流系统应用的可行性。技术等，MMC通过子模块串联构成的，具有多电2基本原理平特征以及谐波畸变小，开关损耗低的优势。在高电压大功率场合得到了广泛的关注，具

3、有广阔的应MMC的电路拓扑如图1所示，MMC由三个相[2-5]单元构成，考虑到三相结构的一致性，图1仅给出用前景。目前，对于MMC的研究集中关注在理论分析、了a相的拓扑。a相由2N个子模块和2个桥臂电抗脉冲调制和电压控制、参数设计等方面。文献[6,7]器La串联而成，a相中点经过并网电抗器LSa与电介绍了PWM调制方法；文献[8]提出了直接调制法；网相连。桥臂电抗器La在直流侧短路故障下可以用文献[9]研究了最近电平逼近调制方法；文献[10-11]于限制短路电流上升的速度，在正常运行时则可以研究了MMC的电压平衡控制方法；文献

4、[12-13]研用于抑制环流。MMC的子模块采用了半桥结构，究了MMC的环流机理及其控制方法。主要由两个IGBT，一个电容和在故障情况下用于对于MMC的数学模型的研究则并不多见，文旁路子模块的晶闸管组成。以图1中所示子模块1献[14]将开关函数和瞬时功率结合，建立MMC的为例，共有三种开关状态：1）闭锁状态：IGBTT1、时域解析数学模型，该模型给出了换流器桥臂电压T2均闭锁，一般出现在启动或者故障时；2）投入电流、桥臂子模块电容电压总和以及单个子模块电状态：T1闭锁，T2导通，此时子模块输出电压uSM=uC，容器的电压电流的

5、时域解析表达式。然而，当MMC流经电容的电流iC=iSM，uC指的是子模块的电容电应用于大系统结构如背靠背直流输电系统、基于压，iSM指子模块的输出电流，其方向如图1中所示；MMC的中压直流系统等场合中时，具有精确解析3）切除状态：T1导通，T2闭锁，此时uSM=0，iC=0。特征的时域解析模型计算量巨大，给仿真计算带来通过控制子模块的投入和切除即可叠加出拟合正很大的困难。因此，对串联型模块化多电平变换器弦波形的多电平阶梯波。进行有效建模，在保证模型精度的前提下实现快速、稳态运行时，直流电流Id在三相之间平均分配；稳定、可靠的

6、仿真分析，对实现其工程应用具有很交流侧输出电流ia、ib和ic在上下桥臂上平均分配；高价值。同一相的上（下）桥臂的子模块电容电压基本一致；本文首先建立MMC的详细模型，在此基础上在任意时刻，每相中都有N个子模块处于投入状态。推导得出平均值模型，以及针对环流和电容电压波Id+++T1MSbc+IdupcuuuaipippbpaCup---i,CiuSMT2iVdcipcipbLaipapaNa2pc子模块1uLaiu0.5iaasaLsaicibiau-ONsaLibusbiZaaicuscL+saina0.5iaVincinb

7、inadc2anNu+++2apcuncunbunaubpcp-ii---图1MMC的拓扑结构图2MMC的平均值模型根据图2可知，MMC的平均值模型可以表示3数学模型为：3.1子模块的平均值建模1dipkVuLu根据子模块的开关状态，可以用开关函数S表2dcpkkdtNO示子模块的投切状态：当S=1时，T1闭锁，T2导1diVuLnku(4)通；当S=0时，T1导通，T2闭锁；则可以建立子2dcnkkdtNO模块的开关模型：dikuuLuSuskNkskdtSMC(1)iCSMS

8、i其中，k=a，b，c。为了保持直流正负极电压的在一个开关周期内，设S=1的占空比为d，则平衡，交流中性点或直流中性点必有一侧接地，系利用状态空间平均法，可建立子模块的平均模型：统对称运行时，有uNO=0。udu相比较于两电平的电压源逆变器，MMC的一SMC(2)个特