模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制策略分析

模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制策略分析

黎林

广东明阳龙源电力电子有限公司广东中山528400

摘要：模块化多电平换流器（MMC）的新型高压变频器可有效提高能源利用率，节能减排，本文将对这种新型高压变频器的基本结构进行分析，阐述模块化多电平换流器拓扑及其运行机制，并建立MMC数学模型，通过排序法实现电容电压的控制，在Matlab-Simulink仿真环境下进行仿真分析，仿真结果显示换流器正常运行、电压电容稳定，利用建模排序法控制电容电压的策略具有一定的可行性。

关键词：模块化多电平换流器；高压变频器；拓扑结构；控制策略

模块化多电平换流器（MMC）由多个结构相同的子模块级联构成，子模块的结构主要包括H桥型、全H桥型和箝位双子模块型，MMC通过各功率单元之间的级联实现多电平输出，两电平桥臂是构成功率单元的主要元件，每个功率单元的电容都处于悬浮状态。传统电压源型交-直-交高压变频器的逆变电路拓扑主要有飞跨电容型结构、功率器件串联结构、二极管箝位型结构、H级联桥串联结构等，这种高压变频器不能直接用于一些快速启动、制动的系统，节能效果差，还会产生大量的低次谐波，极易造成电力公害【1】。因此，对于MMC新型高压变频器的研究具有非常重要的意义。

1新型高压变频器的拓扑结构

新型新型高压变频器的输入端取消了传统高压变频器的工频变压器，基于MMC多电平整流模块的级联方式，采用公共直流母线，通过对母线电压的控制来变换输入功率。相较于H级联式多电平变频器，这种新型高压变频器的电路结构更加简化，控制较为简单，此外变频器的网侧和负载侧呈对称结构，采用全控器件组成，既能为电机提供稳定的三相交流电源，又能将制动能量反馈给电网。基于MMC的新型高压变频器在一些中高压大功率场合，无须配备变压器就可以使用，应用范围广泛。

2MMC拓扑结构及运行机制

MMC的拓扑结构如图2所示，其中换流装置分为A、B、C三相，每一相都是由子模块（SM）级联而成的上下两个桥臂构成，每个桥臂子模块的控制是有选择性的，可作为一个理想电压源。通过对桥臂子模块导通状态的控制实现正弦电压的输出，此时的MMC可作为逆变器使用。MMC结构相对简单，较于H级联结构，实现了四象限运行，能够提供高质量的电能。

图2MMC拓扑结构

MMC运行时，A、B、C中的任何一相投入子模块，相应地产生多种电平的阶梯波，电平的数目比投入的子模块数量多1。随着子模块投入数量的增加，多种电平的阶梯波逐渐呈正弦波，电平数继续增多，主电路结构发生改变，此时增加低频低压开关器件，降低开关损耗，实现高压大功率电能变换。桥臂的子模块有闭锁、切除、投入三种工作状态，如果系统出现故障，子模块的两个绝缘栅双极型晶体管就会被关断，进入闭锁状态；MMC正常运行时，每个子模块处于投入或切出的工作状态【2】。

3MMC电容电压平衡控制策略

3.1数学建模法子模块电容电压平衡控制

MMC系统的A、B、C三相的运行状态完全相同，以A相为例，当该相的子模块进入投入工作状态时，子模块的输出电压为并联电容的电压值，当子模块进入切出工作状态时，其输出电压为0，基于开关函数建立子模块的数学模型，其表达式如下：

学模型可得出子模块电容电压平衡控制的框图，如图2所示。

图2子模块电容电压平衡控制流程

3.2调制算法MMC电容电压平衡控制

利用调制算法实现MMC电容电压的平衡控制，一般的调制方法主要有电压空间矢量调制法、阶梯波调制技术、脉宽调制技术、开关频率最优化、载波层叠调制技术等。电压空间矢量调制法（SVPWM）区别于传统的空间矢量，它是从电机端出发，在两相静止坐标中，用乡里的连个基本电压矢量合成参考电压矢量，共8个电压矢量，其中2个零电压矢量，6个非零电压矢量，再对同一采样周期内两个基本电压矢量和零电压矢量的作用时间进行安排，从而得到PWM波形，虽然这种方法提高了直流侧电压的利用率，但其算法复杂度会随着电频数的增加而增大；阶梯波调制法是利用器件的开关来生成一个阶梯状的输出电压波形，随着阶梯电压数目的增多，波形逐渐向正弦波形靠近，根据开关时间及阶梯高度确认方式的不同，其又分为特定谐波消除法和最佳电平逼近法，阶梯波调制法只适用于低开关频率的器件；脉宽调制法分为垂直多载波调制技术和水平移相多载波调制技术，垂直多载波调制技术采用了多个幅值、频率相同的三角载波，这些三角载波在垂直方向上相邻排列，该调制技术对开关驱动信号的要求较高，需要其在功率器件中以一定方式进行轮换，利用水平移相多载波调制技术调制时，N个电平的换流器需要N-1个幅值、频率相同的三件载波，这些三角载波在水平方向上相邻排列，且依次错开/N角度，该方法多用于H桥级联结构的多电平换流器。

电压空间适量调制法、阶梯波调制技术、脉宽调制技术、开关频率最优化这几种方法的损耗都较大，在多电平高压变换电路中，功率器件的开关频率得不到充分发挥，而载波层叠调制技术则很好地解决了这一问题，在提高等效开关频率的同时，也饿降低了损耗，载波层叠调制技术分为同相层叠法（PD-PWM）、正负反向层叠法（POD-PWM）及交替反向层叠法（APOD-PWM）三种。

4仿真分析

在Matlab-Simulink仿真环境下搭建三相7电平MMC逆变器模型，采用载波正负反向层叠法（POD-PWM）控制进行电容电压平衡控制，对输出相电压进行分析，分析比较各控制策略的控制效果，MMC的仿真参数见于表1。

仿真后得到的POD-PWM控制法A相输出电压、电流波形如图3所示，利用傅里叶算法对输出波形进行分析，经过对波形图的分析，可知A相输出电压经一阶滤波模块处理，其总谐波畸变率为18.39%，各次谐波含量较低，其中高次谐波的含量最低；经二阶滤波模块的处理，A相输出电压的总谐波畸变率降为3.41%，除基波外，其余次谐波均滤除，输出效果良好。A相输出电流的总谐波畸变率为1.02%，电流谐波含量低，功率因数高达0.936，这不仅降低了MMC本身的损耗，还增强了负载电压的稳定性，提高了输出电能的质量。

图3POD-PWM控制法输出电压、电流波形图

5结束语

高性能的高压变频器可降低能源消耗，解决能源紧缺的问题，传统的高压变频器在能量回馈和电压等级上存在限制，而基于模块化多电平换流器的新型高压变频器能够四象限运行，可以将再生电能回馈给电网，提供了高质量的电能，值得进一步推广应用。通过建立数学模型，对各种高压变频器电容电压平衡控制策略进行分析，可知多电平POD-PWM控制法的控制效果良好，不仅降低了开关损耗，还提高了电能的输出质量，其控制的有效性通过仿真分析得到了进一步的验证。

参考文献

[1]郑征,崔灿,张朋等.基于模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制[J].煤炭学报,2014,39(10):2128-2133.

[2]郑征,崔灿.模块化多电平高压变频器拓扑结构及其控制[J].电源技术,2014,38(5):943-946.

[3]罗如山,刘美,王涛等.高压变频器拓扑综述[J].电子世界,2015,(24):143-144.