模块化多电平换流器的均压优化控制仿真研究
（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]。
模块化多电平换流器优化模型预测控制策略研究
模块化多电平换流器优化模型预测控制策略研究
刘普，王跃，丛武龙，雷万钧
(西安交通大学电气工程学院，陕西省 西安市 710049)
Researches on Optimized Model Predictive Control for Modular Multilevel Converters
LIU Pu, WANG Yue, CONG Wulong, LEI Wanjun
(School of the Electric Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China)
ABSTRACT: With the attractive features of high efficiency, low harmonic, modularity and scalability, the Modular Multilevel Converter (MMC) is suitable for a wide range of high-voltage large-capacity applications. As an advanced control strategy, the Model Predictive Control (MPC) can control multiple variables through a cost function, which also has advantages of direct modeling and fast dynamic response performances. The conventional Model Predictive Control method for MMC is applied by calculating all the candidate switching states to achieve control objective optimization, which limits the application of MPC along with the submodule increasing. An Optimized Model Predictive Control (OMPC) was proposed to control the submodule voltages, ac currents, circulating currents and the switching frequency, meanwhile reducing the computation load from C2NN to N+1 for N+1 level MMC. In addition, as the number of the submodule increases to hundreds, the proposed Grouping-Sorting algorithm combined OMPC (GSOMPC) can further reduce the computation load from N+1 to 2X+M+3(N=M×X) to eliminate the strict hardware requirements. Experiment results based on a 2.7 kV/60 kW of MMC with 23-level back-to-back dynamic test system verify the correctness and effectiveness of the OMPC and GSOMPC strategy.
基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术研究
基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术研究基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术研究摘要：本文研究了基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术。
多电平换流器由于其具有低谐波、高效率等特点，在电力传输领域受到越来越广泛的应用。
本文利用MATLAB/Simulink和Verilog HDL对多电平换流器进行建模，并采用FPGA实现电路调制算法。
对所搭建的平台进行了实时仿真，得出了多电平换流器的工作波形以及性能指标，验证了所研究的方案的可行性和可靠性。
关键词：FPGA；模块化多电平换流器；实时仿真；MATLAB/Simulink；Verilog HDL引言：多电平换流器是一种高性能、低谐波、可控的电力变换器，由于其具有较高的效率和较低的谐波，近几年来在电力传输领域得到了广泛的应用。
由于多电平换流器中电路调制算法的复杂性，其研究和仿真困难较大。
传统的纯软件仿真方法计算速度较慢，且可扩展性不强，难以满足实时仿真的需求。
因此，本文采用了基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术，通过利用硬件资源实现电路调制算法，实现了对多电平换流器的实时仿真。
本文首先介绍了多电平换流器的工作原理和调制算法，并对多电平换流器进行了建模。
接着，详细阐述了FPGA的基本原理和设计流程，利用Verilog HDL设计并实现了多电平换流器的电路调制算法。
最后，将所设计的系统在基于MATLAB/Simulink的平台上进行了实时仿真，并得出了多电平换流器的工作波形和性能指标，验证了模块化多电平换流器实时仿真技术的可行性和可靠性。
总结：本文研究了基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术，通过利用硬件资源实现电路调制算法，实现了对多电平换流器的实时仿真。
本文首先介绍了多电平换流器的工作原理和调制算法，并对多电平换流器进行了建模，然后设计并实现了多电平换流器的电路调制算法。
最后，对所搭建的平台进行了实时仿真，验证了所研究的方案的可行性和可靠性。
模块化多电平换流器平均值模型的建立与仿真(修改版)
本科毕业设计 (论文)题目：模块化多电平换流器平均值模型的建立与仿真学生姓名：学号：班级：专业：院（系）：指导教师：二零二零年五月十五日毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明：所呈交毕业论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
毕业设计(论文)作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日毕业设计(论文)使用授权声明本人完全了解成都工业学院有关保留、使用论文的规定，即：学校有权保留论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院（系）资料室被查阅，有权将论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存论文。
论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要柔性直流输电系统有着不再需要滤波器、可以向无源网络供电、能够改变电流方向、可以快速调节有功、无功功率的优点，已经开始大规模建设。
模块化多电平换流器因为其低运行损耗、输出波形质量高、可靠性高等优点，在柔性直流输电领域已经成为了首选的换流器拓扑，也是相关领域研究的大热门。
通过研究MMC的拓扑结构、MMC的工作原理来建立MMC的数学模型，然后对MMC的数学模型进行简化，得到MMC的平均值数学模型。
研究MMC的调制策略，选择适用于MMC平均值模型的调制策略，并且该调制策略要适用于选择的电容电压平衡策略和环流抑制策略。
对电容电压不平衡产生机理、相间环流产生机理进行分析，然后选择适用的电容电压平衡策略和环流抑制策略，并通过详细模型的仿真来验证选择的策略有效性。
最后，建立MMC平均值模型进行仿真分析，并通过与详细模型的输出电压、输出电流、a相电流波形进行比较，验证MMC平均值模型的有效性和其精度，通过Matlab中的函数调试出平均值模型和详细模型的运行时间，比较后得出加速比，验证其能否加速仿真。
一种模块化多电平换流器的子模块优化均压方法_陆翌
图 ２ 半桥 Ｓ Ｍ 结构 Ｆ ｂ ｒ ２ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｈ ａ ｌ ｆ ｉ ｄ ｅ Ｓ Ｍ ｉ ． － ｇ ｇ
图２中： 投入状态时 ， Ｔ Ｓ Ｍ中Ｔ １ 导通 ， ２ 关 断， 电容充电或是 Ｓ Ｍ 端口电压 等 于 Ｓ Ｍ 中 电 容 电 压， 放电取决于电 流 的 方 向 ； 切 除 状 态 时， Ｓ Ｍ中Ｔ １ 关 断， 此时端口电压等于 Ｔ Ｓ Ｍ 中电 容 被 旁 路 ， ２ 导通 ， 闭锁状态时 ， 一般用于故 ０； Ｓ Ｍ中Ｔ １ 和 Ｔ ２ 均关断 ， 障与启动 。 由于电容储 Ｓ Ｍ 电容作 为 ＭＭＣ 的 储 能 元 件 ， 能的波动 ， 电容电压必然会存在一定的波动 。 ＭＭＣ 的桥臂瞬时功率中 包 含 基 频 和 二 倍 频 分 量 ， 且基频 分量为主 ， 而 由 于 上、 下桥臂的基频分量互为相反 数， 因此同一相单元内上 、 下桥臂的瞬时功率波动会
仿真计算为了验证所提出的优化均压法的正确性和有效性本文利用pscademtdc软件搭建了11电平mmchvdc输电系统该系统是依据华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室的柔性直流输t0f12电实验平台为基础进行搭建的为了说明问题同时根据式12可以得到mmc分别采用传统排序和分组排序也为了仿真的简化采用优化均压法进行均压时的母线线电压为10kv统频率为50hz流变压器t102222mvalt449mhtx013定直流电压和定交流电压控mmc2换流站ty0142m02mwl0449mhnk5000uc1kvsm数量n10传统均压法所得到的各sm电容电压波动的仿真波为采用优化均压法所得到的各sm电容电压波动的仿真波形其保持因子hf1hf1099的保持因子hf1098传统均压法的电容电压波形图fig5capacitorvoltagewaveformsofthetraditionalsortingvoltagebalancingmethod优化均压法的电容电压波形图ficapacitorvoltagewaveformsoftheoptimizedvoltagebalancingmethodmmc的单个桥臂共有运行下本文对a相上桥臂所有的sm的上侧igbt在不同均压方法下的开关次数进行了统计
模块化多电平换流器型直流输电系统的稳态运行解析和控制技术研究
模块化多电平换流器型直流输电系统的稳态运行解析和控制技术研究首先，对模块化多电平换流器型直流输电系统进行解析，需要对系统的结构和原理进行分析。
该系统由多个模块化换流器组成，每个换流器都包括多级的电压源型逆变器。
通过控制逆变器的开关状态，可以实现不同电平的直流电压输出。
系统通过高频变压器和滤波器进行电压和电流的连续平滑，从而实现高质量的直流电能输送。
在解析系统运行过程中，需要考虑到系统的电压和电流波形的稳定性，以及模块化换流器之间的功率平衡。
为了实现系统的稳态运行，需要建立系统的数学模型，并进行仿真分析。
通过对系统的运行过程进行数学分析，可以求解系统的稳态工作点，并判断系统是否存在稳态失稳的情况。
其次，对模块化多电平换流器型直流输电系统进行控制技术的研究。
系统的控制技术包括主控制和辅助控制两个部分。
主控制主要是根据系统的负荷需求和电网条件来控制直流电压的输出。
通过控制换流器的开关状态和电压源的输出，可以实现直流电压的调控。
辅助控制主要是对系统的电流和功率进行控制，通过合理控制滤波器的参数和开关状态，可以实现对系统电流和功率的控制。
控制技术的实现主要依赖于先进的电力电子器件和控制算法。
例如，采用现代化的半导体器件和智能控制器，可以实现快速响应和高精度的控制。
同时，还需要建立合理的控制策略，并进行仿真验证和实际应用。
通过优化控制算法和系统参数，可以提高系统的运行效率和稳定性。
综上所述，模块化多电平换流器型直流输电系统的稳态运行解析和控制技术研究是一个复杂而重要的课题。
通过对系统的解析和控制技术进行研究，可以实现系统的高效稳定运行，为电力输电领域的发展做出贡献。
一种优化的模块化多电平换流器均压控制方法
2. MMC 基本工作原理
如图 1 为模块化多电平换流器的拓扑结构。由三相对称的三个结构相同的相单元构成换流器，每相
DOI: 10.12677/jee.2018.62022 190 电气工程
刘英杰 等
Figure 1. The topological structure of MMC 图 1. MMC 拓扑结构
An Optimized Voltage Balancing Method for Modular Multilevel Converter
Yingjie Liu, Jijiang Song, Yixia Niu
School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong Received: Jun. 8 , 2018; accepted: Jun. 22 , 2018; published: Jun. 29 , 2018
摘
要
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)具有高度的模块化结构，输出电平数高，能
文章引用 : 刘英杰 , 宋吉江 , 牛轶霞 . 一种优化的模块化多电平换流器均压控制方法 [J]. 电气工程 , 2018, 6(2): 189-198. DOI: 10.12677/jee.2018.62022
Journal of Electrical Engineering 电气工程, 2018, 6(2), 189-198 Published Online June 2018 in Hans. /journal/jee https:///10.12677/jee.2018.62022
模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法
模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法
模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法是一种新兴的高效、
可靠的模块化换流器控制方法，可以有效解决模块化换流器中电容电
压不均衡问题。
该方法通过监测模块化换流器电容电压，采用开关等
规则，实现电容电压精准均衡，从而提高模块化换流器的稳定性。
模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法采用实时监测模块化
换流器电容电压，当电容电压不均衡时，就会通过开关控制多电平换
流器中某个单元的电容补偿，达到电容电压均衡的目的。
此外，在多
电平换流器电容电压均衡控制中，采用了若干技术，如空间恒差技术、持续性能优化等，可以针对不同的应用场景，优化控制效果，从而保
证模块化换流器的高效可靠。
模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法具有体积小、传输量大、控制精度高等优点，适用于大功率转换控制领域，尤其是汽车电
动机控制领域，可大幅提高模块化换流器的效率和可靠性。
因此，模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法是一种新兴而
高效可靠的模块化换流器控制方法，将为电力系统以及汽车电动机控
制领域带来新的应用前景。
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模块化多电平换流器的均压优化控制仿真研究摘要本文主要对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC) 中的均压优化控制进行的研究，整个模块化多电平换流器仿真需要将输入的三相交流电转化为直流电，并且各个子模块电压差值需要尽量的小，从而保证整个系统能够稳定运行，对载波移相脉宽调制策略进行推导与改进，使得模块化多电平换流器能够在更短的时间内稳定，且子模块电容电压在合理的控制中保持均衡。
仿真实验结果证明了所提方法的正确性和可行性。
关键词模块化多电平换流器；子模块均压；载波移相脉宽调制Simulation Study on Optimal Voltage Equalization Control ofModular Multi-level ConverterZ5号宋体oufucheng Daipanyang(Aba Teachers University,Si chuan Wenchuan,China )Abstract This paper mainly studies the voltage optimizationcontrol in Modular Multilevel Converter. The whole modular multi-level converter simulation needs to convert the input three-phase AC into DC, and the voltage difference between each sub-module needs to be assmall as possible. Thus, the whole system can run stably, and the strategy of carrier phase-shifted PWM is deduced and improved, so that the modular multi-level converter can be stable in a shorter time, andthe capacitance voltage of the sub-modules can be balanced in a reasonable control.The simulation experiment results prove the correctness and feasibility of the proposed method.keywords MMC; sub-module voltage equalizer; carrier phase shift PWM引言随着西电东送工程的实施，电能的损耗也随着高压长距离输电不断增大，从而使得直流输电在电力传输中脱颖而出。
从20世纪50年代起，电网换相高压直流输电(Line Commutated Converter High Voltage Direct Current, LCC-HVDC)在超远距离输电的优势，使得直流输电的发展越发迅速，采用模块多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)逐步成为直流输电最主要的方法[1-4]。
电压均衡方法具有实现简单、均压效果优越的特点，在工程实践中得到广泛应用，尤其是在柔性直流输电领域和电力电子变压器、高压电机驱动、电能质量治理、新能源并网、高压直流固态变压器等领域，从 MMC载波移相调制层面研究优化策略具有重要意义[6-10]。
收稿日期:基金项目:阿坝师范学院青年基金ASC21-041 MMC的基本结构和拓扑结构1.1 MMC的基本结构MMC的最基本且最常用的模型为半桥型子模块( Half Bridge Sub-Module, HBSM)是各类子模块拓扑的基本模块，由半桥型子模块所组成的换流器被称为HBSM型模块化多电平换流器( Modular Multilevel Converter, MMC)，通过控制IGBT的导通时间合理的控制子模块电容的充放电，如图1所示。
在换流器中这些基本模块会在每相中构成上下桥臂，其每个桥臂中都包含N个子模块。
图1半桥型子模块结构图1.2MMC的拓扑结构MMC的等效拓扑结构，如图2所示，系统处于稳定运行时，由于子模块均压算法的介入使得各个子模块的实际电压值都应该在额定电压附近浮动。
同时为了保证直流母线的电压处于稳定，不同桥臂在同一时间内投入的模块数目需要相等。
稳态运行时，在任意时刻，MMC 三个相单元具有对称性，所以，直流电流在三相桥臂中均匀分布，交流系统的电流也在MMC 中的三个相单元的上、下桥臂均匀分布[11-16]。
图2 MMC等效拓扑结构图2 载波移相脉宽调制优化策略为了提高均压效果，本文优化了载波移相调制的方法，优化的载波移相脉宽调制控制策略图如图3所示。
与一般的载波移相脉宽调制不同的是，首先要率先得到调制波，再测量子模块的状态后再返回修改调制波的导通情况，而非一开始就生成对应状态的调制波。
图3优化的载波移相脉宽调制控制策略图通过正弦调制波与载波进行对比。
得出脉冲的触发信号，使三角载波依次向后移动1/N个周期，即2π/N 相位角。
当采用SPWM技术时需要保证三角波与调制波有着相等的频率，三角波会调制波相对比可以得到各个子模块的控制信号，分别控制各个子模块的运行状况，在每个相单元中，各个正在运行的子模块共同输出即可得到桥臂的输出电压，当三角波小于正弦波时该单元则会进入正常运行状态；若三角波大于正弦波时则改单元处于切除状态。
改进过后控制系统会实时检测电路中各个电容的状态，检测到电容中电压值过高时，反馈系统会调节开关的导通时间，增加电容处于电路中的放电时间，从而让电容回归的正常状态。
3 仿真验证为了验证本文中的所改进的载波移相脉宽调制有效性，在Matlab/Simulink 平台搭建的仿真模型如图4所示，系统参数如表1所示。
图4MMCMatlab仿真模型表1仿真系统相关参数参数数值取值直流侧电压/ V5000单相SM个数/N12SM电容/f0.0049桥臂电感/mH51000子模块额定电压/V负载电阻/Ω20输出基波频率/HZ50载波频率/HZ750为了更好的均压效果，需要通过调整各个子模块导通延时合理的控制子模块的开关断时间，能够更好的得到均压效果可以修改Transport Delay与电路中的阻尼比，通过延时子模块的导通，使得改时间段内投入使用的子模块数目合理，使得分压效果更为均匀。
在仿真验证中分别使用传统算法、数据优化的算法和改进算法进行仿真。
图5传统算法的均压效果图如图5所示是传统算法的均压效果图。
可以看出这种均压效果波动较大，对模块的影响较大。
图6数据优化算法的均压效果图如图6所示是数据优化算法的均压效果图。
相比较传统算法的均压算法，效果有较大改进。
图7改进算法的均压效果图改进算法的均压效果如图7所示，可见采用这种均压策略，使得MMC电流也能较快的稳定下来。
由上可知，经过数据优化后的电路均压效果提升了很多，再改进了控制算法均压效果又得到了进一步的提升。
表2子模块电容电压差值表均压方式电容最大电压差值原模型120V数据优化后41V15V加入额外的均压策略后表2子模块电容电压差值，相较于原模型，电流稳定速率与均压效果都有了一定的提升，实时反馈各个电容的电压状况并让系统做出相应的调整便可使得均压效果得到提升。
4 结论本文所改进的载波移相调制策略相较于其它方法不同，此算法会先生成调制波，再根据电容的状态改变调制波的导通状态来控制电容电压的均衡状态，相比于未改进时的算法，无论是均压效果还是电流稳定时间都有一定的提升，并通过仿真验证了优化的载波移相脉宽调制的有效性与正确性。
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