模块化多电平变流器直接调制策略分析

模块化多电平变流器直接调制策略分析
本文对MMC变流器应用过程中存在的问题进行了分析，基于载波移相与电容电压排序的直接调制的控制要求，提出了模块化多电平变流器的控制策略。

标签：控制方法；模块化；多电平变流器；应用
0.引言
一名德国学者在2001年提出了一种新型多电平变流器—模块化多电平变流器（modular multilevel converter，MMC），他详细的分析了其结构，然后提出了一种控制方法。

MMC拓扑因为不需要体积庞大的输入变压器、直接模块化级联、输出多电平且能够组成背靠背四象限变流器等诸多优点，在最近这几年来受到了广大专家学者的热捧，受到广泛的重视和研究。

1.MMC变流器应用过程中存在问题分析
MMC变流器电容电位没有独立整流单元的支撑，其模块电容是悬浮状态。

MMC变流器在运行时，桥臂电流会对模块电容进行频繁的充放电，模块电容电压将会出现波动，且变流器工作频率越低，该波动越剧烈。

由于其特殊原因，所以在低频运行给变流器带来了困难，也限制了模块化多电平变流器在交流调速领域的应用。

而且在成本控制的角度考虑变流器各级联模块电容的容值必须控制在一定范围内，模块电容波动受到电容容值的影响是有限的。

所以，当变流器以较低频率甚至是零频率运行时，模块电容电压波动将非常剧烈，严重超出器件所允许的工作范围，使得开关器件损坏。

MMC变流器输出交流电压是以模块电容电压作为电平支撑的，在使用平常的调制方法时（如统一电压调制、最近电平调制，电压波动对变流器输出电压产生了比较大的影响。

模块电压波动远小于变流器的输出电压时，这种影响是可以不考虑的。

但是在交流电机调速领域，变流器低频运行时输出电压较低，而模块电压的波动也不可能绝对抑制，此时，即使很小的模块电压波动对输出电压的影响也是不能忽略的。

因此采用传统调制方法，MMC 变流器低频运行时，输出电压将会出现比较严重的畸变，无法正常运行。

本文通过分别解决以上两个问题，提出模块化多电平变流器控制方法。

2.模块化多电平变流器的控制策略
载波相移调制、阶梯波调制、空间矢量调制等都属于传统多电平变流器的控制方法。

但是模块化多电平变流器的控制和调制方法在满足一些不同的特殊要求的情况下，可以采用传统的多电平控制方法，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。

2.1基于电容电压排序的直接调制法控制策略
排序基于电容电压直接调制方法，通过控制每个子模块在不同的工作条件下
臂在每个开关周期中，使输出端子的电压电平是由一个多个电平组成的阶梯波，电平数更多更紧密的输出电压正弦波。

由于输出电压的电平由子模块的输出电压构成，因此需要保证子模块电容电压的稳定。

在一个六电平阶梯波调制的输出波形，可以看出，由于阶梯波调制法中每个电平的持续时间比较长，功率器件的开关频率比较低，损耗较小，适合于高压大功率的场合。

但是当电平数比较少的情况下，阶梯波调制法的输出电压中含有较多的谐波成分，需要比较大的滤波装置。

2.2基于载波移相的控制策略
从两级移相调制的载波的多级调制载波相移，两个不同的载体的组合的基础上发展起来，开发的几种不同的载体结合，载体的组合具有多级拓扑更多种和变化，如改变载波相位，载波频率的变化，以实现不同的控制目标。

假设iv+1电平的电路拓扑，其载波有iV个，主要的载波移相调制有以下几种。

同相层叠式载波调制（phase disposition modulation），即所有载波具有相同的相位、幅值和频率，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
3. 基于载波移相与电容电压排序的直接调制的控制策略分析
MMC系统常用的控制策略主要有两种：基于载波相移和直接测序为基础的电容电压调整控制策略的控制策略。

使用单相子模块十个模型进行了分析两种控制策略来控制进程和调制。

3.1基于载波移相的控制策略分析
模块化多电平变流器系统在应用载波移相的控制策略时，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。

子模块电容电压的稳定控制主要包括两个部分：子模块电容电压均衡控制和子模块电容电压平均控制，如图2.1所示。

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，來决定子模块的工作状态。

3.2基于电容电压排序的直接调制的控制策略分析
基于电容电压排序的直接调制法的控制框图，是由插入模块数计算，模块选择以及PWM调制三个部分组成的。

其中插入模块数计算用于得到MMC系统中上、下桥臂需要插入的子模块的个数；模块选择主要用于实现子模块之间电容电压的平衡；PWM调制则用于实现MMC系统所要求的输出指标。

确定上、下桥臂的子模块插入个数后，通过模块选择部分来实现各模块工作状态的分配，并达到子模块电容电压稳定的目的。

首先分别对上、下桥臂中子模块的电容电压进行实时排序，然后结合各子模块所处桥臂的桥臂电流方向决定各子模块的工作状态。

4.结语
以上我们简述了载波移相调制策略的控制过程及调制方式，通过不同调制方式对系统输出电压的影响进行了分析，然后介绍了基于电容电压排序的直接调制策略的控制方法及调制方式，比较了不同载波下对输出电压的影响，最后综合比较了几种调制策略，选择N+1电平直接调制策略、2N+1电平直接调制策略和2N+1电平载波移相调制策略进行后续的分析比较。

参考文献：
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