基于电容电压排序的模块化多电平变换器直接调制法
（096）清华大学-模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究
模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究武晓堃1 王奎1 万磊1, 2李永东1, 3（1. 清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京1000842. 中国电力科学研究院北京1001923. 新疆大学电气学院新疆乌鲁木齐830046）摘要模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为一种新型的多电平拓扑，因为适用于电压源换流型直流输电场合而得到了广泛研究。
本文介绍了MMC的拓扑结构和工作原理，并对常用于MMC拓扑的载波移相、最近电平逼近和载波层叠调制策略以及相应的电容电压平衡算法进行了分析，并在PSCAD/EMTDC下搭建了31电平的MMC仿真模型，分别实现了三种调制策略及其电容电压平衡算法，比较了不同调制策略在电压谐波、电容电压平衡、开关频率等方面的表现，并给出了不同调制策略的特点。
关键词：模块化多电平变换器；载波层叠调制；最近电平逼近调制；载波移相调制；悬浮电容；电压平衡控制1背景介绍相比于传统的交流输电系统，直流输电系统在远距离大容量输电方面具有巨大的优势，尤其是在离岸风电场等海底电缆输电场合，直流输电可以克服电容效应而被人们愈发重视[1, 2]。
传统的VSC-HVDC直流输电系统采用的换流技术主要以两电平和三电平为主。
该拓扑主要问题是电压等级受器件耐压限制，所能达到的电压等级不高，谐波较大。
其中ABB公司的IGBT串联两电平拓扑，虽然提高了电压等级，但是存在着串联模块均压以及同时触发等问题。
2002年，由德国学者提出了一种新型的多电平拓扑[3, 4]，即模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter），该结构高度模块化，通过模块级联就可以实现电压等级的提升[5-7]。
西门子公司将该拓扑转化为了专利和产品应用于直流输电等场合，其中美国的Transbay工程，每相子模块级联数为200，输送功率可以达到400MW[5]。
《2024年模块组合多电平变换器(MMC)研究》范文
《模块组合多电平变换器（MMC）研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，模块组合多电平变换器（MMC）作为一种新型的电力变换装置，在高压直流输电、柔性交流输电系统以及新能源并网等领域得到了广泛的应用。
MMC 以其高可靠性、高效率、高灵活性的特点，成为了现代电力电子技术研究的热点。
本文旨在探讨MMC的原理、控制策略、运行特性及其在电力系统中的应用。
二、MMC的基本原理与结构MMC是一种基于模块化结构的电压源型多电平变换器，其基本原理是将多个子模块（SM）串联起来组成一个完整的变换器，每个子模块包括一个电力电子开关（如IGBT）和一个与其反向并联的二极管，以及相应的储能电容和电阻。
这种结构使得MMC具有较高的耐压能力，并可以输出多个电平的电压。
MMC的结构包括上下桥臂，通过控制上下桥臂中子模块的导通与关断，实现AC/DC和DC/AC的转换。
其特点是子模块数目多，控制复杂度高，但灵活性好，适用于高压大功率场合。
三、MMC的控制策略MMC的控制策略主要包括子模块的投入与切除控制、环流抑制控制以及谐波消除控制等。
子模块的投入与切除控制决定了MMC的输出电压，而环流抑制控制和谐波消除控制则保证了MMC的稳定运行和输出波形的质量。
近年来，随着数字信号处理技术的发展，MMC的控制策略也在不断优化。
例如，基于模型预测控制的MMC控制策略能够更好地实现多目标优化控制，提高系统的动态性能和稳态性能。
此外，基于人工智能算法的控制策略也在MMC中得到了应用，如模糊控制、神经网络控制等，这些算法能够根据系统运行状态实时调整控制参数，提高系统的自适应性。
四、MMC的运行特性与优势MMC的运行特性主要包括高可靠性、高效率、高灵活性等。
由于其模块化结构，当某个子模块出现故障时，可以通过切换冗余子模块来保证系统的正常运行，因此具有较高的可靠性。
此外，MMC的输出电压可以调节为多个电平，使得谐波分量减少，提高了系统的效率。
同时，通过灵活调整子模块的投入与切除，可以实现快速响应和精确控制。
模块化多电平换流器(MMC)原理简介方案
模块 1AU2
模块 1BU1
模块 1BU2
模块 1CU1
模块 1CU2
模块 1AU20
Larm A
Larm
模块 1AL1
模块 1BU20
Larm
B
Larm
模块 1BL1
模块 1CU20
Larm
C Larm
模块 1CL1
模块 1AL2
模块 1AL20
模块 1BL2
模块 1BL20
模块 1CL2
模块 1CL20
30uf/A电容设置，装置保持稳定。这也是电解电 容纹波承受能力。
如果控制方式能够达到在1-50Hz变频工 况，功率单元按照10uf/A电容设置，装置保持稳 定。那么就可以考虑功率单元按照薄膜电容代替 电解电容。直流电容稳定也是MMC变频器主要难 点之一。
谢谢大家 !
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模块化多电平变换器最近电平调制研究
模块化多电平变换器最近电平调制研究张国荣;韩慧颖;王啸飞;陈祥【摘要】模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的调制方法直接影响其运行时的整体性能.最近电平调制(nearest level modulation,NLM)由于其多电平输出时开关频率低、易于工程实现等优点在中高压大功率场合得到广泛应用.文章针对传统NLM采用电容电压排序,根据电流方向选择相应子模块触发导通的电压均衡方法,在阶梯波形成过程中引入自变量的偏差值,调整近似函数,对发波过程的算法进行修正,使得输出电平数增加一倍,显著提高交流输出电压谐波特性;同时分析比较不同调制偏差量组合情况下的输出电压谐波水平,最后仿真验证了该方法的效果.%The overall performance of modular multilevel converter (MMC) is directly affected by the modulation method.And the nearest level modulation (NLM) has been widely used in high voltage and high power applications today,due to its lower switching losses and more convenience when implemented in MMC.In this paper,the voltage balancing method based on capacitor voltage sequencing is applied,and then,a small offset is added to the approximate function during the trigger pulse forming process.The function-rounding process is adjusted so that the time of step changing staggered and the harmonic distortions of output wave can be improved dramatically.Furthermore,the output voltage harmonic level of the combination of different modulation deviation is analyzed.The inventor model of MMC with 10 sub-modules is realized byMATLAB/Simulink.Simulation results show the effectiveness of the proposed method.【期刊名称】《电测与仪表》【年(卷),期】2017(054)023【总页数】9页(P1-9)【关键词】模块化多电平;最近电平调制;电容电压排序;近似函数;输出电压谐波【作者】张国荣;韩慧颖;王啸飞;陈祥【作者单位】合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥230009;芜湖县广播电视台,安徽芜湖241199【正文语种】中文【中图分类】TM930 引言模块化多电平变换器（MMC）因其在功率控制、开关频率、输出波形、模块化设计等方面的诸多优点在高压大功率场合得到了广泛应用。
模块化多电平换流器（MMC）调制方法综述
模块化多电平换流器（MMC）调制方法综述王蕊;王斌;万杰星【摘要】介绍了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑和工作原理,分类别详叙了各种调制方法。
总结了不同调制技术的优缺点和应用场合,为MMC的工程应用提供了借鉴意义。
提出了MMC调制技术的改进方向,对进一步的研究探索有积极意义。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】5页(P43-47)【关键词】模块化多电平换流器;调制技术;载波移相调制法;载波层叠调制;最近电平逼近调制;多电平SVPWM;特定次谐波消除脉宽调制【作者】王蕊;王斌;万杰星【作者单位】[1]东南大学电气工程学院,江苏南京210096;[2]中航宝胜海洋工程电缆有限公司,江苏南京225100【正文语种】中文【中图分类】TM46随着全球能源互联网和柔性交流输电系统(Flexible Alternative Current Transmission Systems,FACTS)的发展,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter ,MMC)越来越得到科研工作者的关注和研究。
MMC以其高度模块化、容易拓展和输出性能好等特点,应用越来越广泛,应用领域已逐步从传统的高压直流(High-Voltage DC,HVDC)输电应用向中高压电力传动、电能质量治理、高压直流功率变换等领域拓展,并已获得了初步的研究成果,展现出良好的应用前景[1]。
对于MMC 的研究也逐渐展示出多元化的特点,关键技术包括MMC调制技术、直流电压稳定技术、环流分析及抑制方法、谐波分析及抑制技术、故障情况下的穿越能力等。
本文选取 MMC的调制技术作为重点,对近年来的研究情况进行梳理和总结,为MMC的工程应用提供借鉴,具有重要的理论价值和现实指导意义。
MMC工作时的拓扑结构如图1所示。
其中Ls为网侧电感,Rs为网侧内阻,Ns为交流中性电位参考点,MMC每相上下桥臂各包含N个子模块。
一种模块化多电平的改进最近电平调制策略
一种模块化多电平的改进最近电平调制策略王柯岩;江伟;王渝红;陈金祥;黄道姗;邹朋;刘永强【摘要】Modular multilevel converter can be easily applied to higher voltage and large-scale capacity with good expansibility and low switching frequency.And the optimized nearest level modulation is used for modular multilevel converter under low-level conditions.The reason of unbalanced voltage with nearest level control method. Under low-level modular multilevel converter,nearest level control method have problems such as sub-module ca-pacitor voltages balancing and circulating currents were analyzed.Then propose an optimized control method con-sidering inaccuracy of integral function.The effectiveness of the proposed controlling method is verified through simulation results usingPSCAD/EMTDC and a comparison between traditional and optimized nearest level control is also included.%模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因其模块化设计易于扩展、开关频率低等特点,在中高压大功率系统中得到越来越多的应用;而最近电平调制(nearest level modulation,NLM)作为一种实时阶梯波调制方式,常用于上百个电平数的场合.首先对MMC的基本结构和最近电平调制的运行机理进行分析,推导出该调制策略所存在的固有缺陷;在此基础上,提出了改进的最近电平调制策略.通过引入调制波与阶梯波间偏差,有效避免了在电平数较低情况下电容电压波动、环流等问题.最后在PSCAD/EMTDC中搭建了MMC仿真模型,对改进前后的最近电平调制策略进行了比较分析.仿真结果表明该改进调制策略可以提高系统的稳态运行特性,对子模块电容电压波动和环流产生抑制作用.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)030【总页数】6页(P63-68)【关键词】模块化多电平换流器;最近电平调制;电压均衡;环流;子模块【作者】王柯岩;江伟;王渝红;陈金祥;黄道姗;邹朋;刘永强【作者单位】四川大学电气信息学院,成都610065;国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福州350007;四川大学电气信息学院,成都610065;国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福州350007;国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福州350007;四川大学电气信息学院,成都610065;四川大学电气信息学院,成都610065【正文语种】中文【中图分类】TM761.12脉冲调制技术作为一项影响多电平变换器输出性能的关键技术，根据国内外学者对MMC脉冲调制技术的广泛研究，可以将其划分为两大类：脉宽调制技术和阶梯波调制技术[1—4]。
基于新型模块化多电平变换器的五电平PWM整流器
基于新型模块化多电平变换器的五电平PWM整流器一、本文概述随着电力电子技术的不断发展，多电平变换器已成为现代电力系统中重要的研究方向之一。
模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）因其高电压、大容量的特性，在高压直流输电（HVDC）、风力发电和电机驱动等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在研究一种基于新型模块化多电平变换器的五电平PWM（脉冲宽度调制）整流器，通过对其拓扑结构、工作原理和控制策略的分析，为现代电力电子系统的优化设计与稳定运行提供理论支持和技术指导。
本文首先介绍了模块化多电平变换器的基本原理和五电平PWM整流器的拓扑结构，阐述了其在现代电力电子系统中的重要性和优势。
接着，详细分析了五电平PWM整流器的工作原理，包括其调制策略、开关状态切换以及功率因数校正等方面。
在此基础上，本文提出了一种适用于五电平PWM整流器的控制策略，旨在实现高效、稳定的能量转换和电网接入。
本文还对五电平PWM整流器的性能进行了仿真和实验研究，验证了其在实际应用中的可行性和有效性。
通过对比传统整流器与五电平PWM整流器的性能，本文进一步证明了新型模块化多电平变换器在提升电力电子系统性能、降低谐波污染和提高能源利用效率等方面的优势。
本文的研究对于推动模块化多电平变换器和五电平PWM整流器在现代电力电子系统中的应用具有重要意义。
通过对其拓扑结构、工作原理和控制策略的研究，有望为电力电子技术的发展提供新的思路和方向，为现代电力系统的智能化、绿色化和高效化提供有力支持。
二、模块化多电平变换器原理及特性分析随着电力电子技术的不断发展，模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）已成为高压大功率应用中的关键设备。
MMC以其独特的结构设计和灵活的扩展性，在电力系统中得到了广泛应用。
本文所研究的五电平PWM整流器，正是基于MMC的一种实现方式。
模块化多电平变换器
模块化多电平变换器(MMC)的脉冲宽度调制的实验和控制摘要：模块化多电平变换器(MMC)是新一代不需要变压器而实现高、中压电力转换的多级转换器中的一种。
MMC的每相是基于多个双向斩波单元的串级连接。
因此需要对每个浮动的直流电容器进行电压平衡控制。
然而，目前还没有文章涉及到通过理论和实验验证来实现电压平衡控制的明确讨论。
本文涉及两种类型的脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)来解决他们的电路配置和电压平衡控制。
平均控制和平衡控制的结合使脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)在没有任何外部电路的情况下实现电压平衡。
脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)的可行性,以及电压平衡控制的有效性,通过仿真和实验已经被证实。
关键词：电压电力转换，多级转换器，电压平衡控制一、介绍：大功率的转换器的应用需要线性频率变压器来达到加强电压或电流的额定值的目的（见参考文献【1】——【4】）。
2004年投入使用的80MW的静态同步补偿器的转换侧由18个中点箝位(NPC)式转换器组成（文献【4】），每个系列的交流双方串联相应的变压器。
线性变压器的使用不仅使转换器笨重,而且也导致当单线接地故障发生时出现直流磁通偏差（文献【5】）。
最近，许多关于电力系统和电力电子的多级转换的科学家和工程师，参与到多电平变换器为了实现无需变压器而实现中压电力转】换（文献【6】-【8】）。
两种典型的方法有：（1）多级多电平转换(DCMC) （文献【6】, 【7】）;（2）飞跨电容型多电平变换器(FCMC)（文献【8】）。
三电平多级多电平转换器（DCMC）或者NPC转换器已经被投入实际使用，如果在DCMC中电平的数量超过三个，容易导致串联的直流电容内在电压的不平衡，因此两个直流电容需要一个外部电路（例如buck—boost斩波电路）（文献【11】），此外，一个箝位二极管耐压值的增长是非常有意义的，而且这种增长需要每相串联多个模块，这就造成一些困难。
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基于电容电压排序的模块化多电平变换器直接调制法
摘要：使用模块化多电平拓扑（Modular Multilevel Converter，MMC）的逆变器以及PWM整流器是由西门子公司首先提出。
由于模块化多电平拓扑研究不断的深入，人们这一领域的研究也不断加深，基于此，本文对模块化多电平变换器基于电容电压排序的直接调制法作出相关的探讨。
关键词：多电平变换器
Direct modulation method of modular multilevel converter based on capacitive voltage sequencing
Huang Huijun、Zhou Bin
（ChangHong MeiLing Co.，Ltd，230601）
Absrtact：Modular Multilevel Converter（MMC）and PWM rectifier are proposed by Siemens. Due to the continuous deepening of modular multilevel topology research，people's research in this field is also deepening，based on this，the author of the modular multilevel converter based on capacitor voltage sequencing of direct modulation method is discussed in this paper.
Key words：Multilevel converter
引言
模块化多电平拓扑（Modular Multilevel Converter，MMC）从面世以来就与往常的多电平拓扑不同，具有属于自己独特的调整方法。
相比于传统的两电平或三电平VSC相比，MMC 模块化多电平拓扑具有开关损耗低、谐波含量少并且能够灵活高效对电压等级进行控制等诸多优点。
随着当前研究人员对模块化多电平拓扑不断研究，提出了一种基于选择机制的电压平衡调制方法。
本文就是对模块化多电平变换器基于电容电压排序的直接调制法进行研究分析。
1.主动降噪系统的拓扑设计
模块化多电平换流器由多个结构相同的子模块（Sub-module，SM）级联构成。
子模块的结构通常可以分为以下三种类型：半H桥型、全H桥型和双箝位型子模块型。
目前模块化多电平换流器（modular multilevel converter MMC）已经展现出极其重要的工程应用前景。
由于相关数学理论、数学建模、相关等效实验方法以及当前设备硬件（包括计算机等）诸多限制，从而导致MMC高效建模难以跟上相关领域的快速发展。
如何反映换流器的一般运行规律，使得建立MMC的数学和仿真模型非常重要，在控制保护系统、主电路参数选取以及直流输电系统中运行特点研究以及设计具有指导意义[1]。
在工程学领域，如何解决不同场景下的MMC高效仿真模型研究，提高不同场景下的MMC仿真效率提高并且在不同尺度下对其电磁暂态建模方法研究提高理论支持，同时也具有相当的迫切性[2]。
变换器输出的逆变电压以正弦波为最佳，为了满足这一条件，需要对进入的模块序列进
行合理的投切选择。
通过对某一时刻下对单独一相投切进入的子模块SM的数量均为N，保
证直流电容上的电压能够得以维持。
MMC模块化多电平拓扑具有相同的子模块的耐压值，
并且所有的连接电感参数均为一致。
当不同的相中桥臂电压不完全相等的时候，通过抑制连
接电网的电感，使其相间环流下降，并且该电感也可以大幅度降低产生的瞬时电流，保证系
统稳定安全，从而减少故障。
除此之外，MMC模块化多电平拓扑整体装置的耐压等级易被
修改，能在高压直流输电等应用中有所成就。
2.MMC模块化多电平拓扑模型
对于MMC模块化多电平拓扑系统进行理想化模型分析，通过假设每个模块上的电容电
压将直流母线上的电压进行均衡分配，忽略桥臂电感上的压降以及对电压的影响，那么相电
压有：
式中：
-上桥臂输入子模块数目；
-下桥臂输入子模块数目；
该投入的模块的数目是由参考电压值除以每个模块上的电压得到。
3.基于电容电压排序的直接调制法
通过第二节的公式推导中我们可以知道，插入模块数、不是整数，那么基于桥臂子模块SM的数量进行两部分的讨论。
3.1 当桥臂子模块SM的数量n较多时
当桥臂子模块SM的数量n较多时，以a相上桥臂为例，选择将个子模块插入，其中是
对取整，同时桥臂其他子模块进入切出状态。
通过直接对结果取整并加1的处理，可以减少
对输出电压的影响。
3.2 当桥臂子模块SM的数量n较少时
由于桥臂子模块SM的数量n较少时，如果直接对结果进行取整处理，从而产生不利影响，主要包括输出电压处于不稳定状态并且容易产生较大谐波。
以a相上桥臂为例，计算出运行于投入模式的子模块，并对个子模块工作在投入模式进
行控制，同时有个模子块处于切出模式，最后一个子模块处于脉冲投入模式，进行PWM操
作的占空设定成。
假设开关周期为，a相上桥臂需要输出的正弦电压为，桥臂参考电压在周
期内的平均值为，实际的上桥臂输出电压为。
由此可知总有一个子模块是处于脉冲投入模式，从而保证了电网稳定以及减少谐波。
4.试验数据分析
本文选取m=1，f=50%时，φ从-π/2 到π/2 变化时MMC换流阀各类损耗变化数据如下表
所示。
表1 MMC损耗随变化测试数据
由上述表格分析可知：数值变化与导致桥臂电流的过零时刻发生相应变化，同时数值越小，
其中MMC中的通态损耗越低，当越接近0，桥臂电流正向偏置就会发生变小趋势致使损失
变小。
同时发现接近 0 时开关损耗会出现上涨。
考虑到开关损耗影响小于通态损耗变化，接近 0，使得总损耗也相应减少。
5.总结
综上所述，通过上述的推导以及分析，可以得到对于模块化多电平变换器，基于电容电
压排序的直接调制方法主要算出子模块的数量，并对其进行合理分工，包括投入与投切的数量，确保谐波含量处于合理的数值之内。
同时体现了模块化多电平拓扑具有开关损耗低、谐
波含量少并且能够灵活高效对电压等级进行控制等诸多优点。
参考文献：
[1]邢航刘子伟陈堂贤模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构研究综述《通信电源技术》2016年第4期 20-22页共4页
[2]万家乐浅析模块化多电平变换器（MMC）若干关键技术《测试工具与解决方案》2017年.01
[3]谢瑞胡列翔徐建国周志超钱锋高志林模块化多电平变流器研究综述《机电工程》2014.12
第一作者简介：黄辉军（1985-），男，本科，自动化专业，工程师，主要从事冰箱（柜）产品电控研发工作。