模块化多电平逆变器的PWM控制技术和电容电压平衡技术
模块化多电平变流器调制策略研究
模块化多电平变流器调制策略研究
模块化多电平变流器是一种先进的电力电子设备，其调制策略对于电力系统的稳定性和效率有着重要影响。
目前，许多研究人员致力于研究模块化多电平变流器的调制策略。
在模块化多电平变流器中，每个子模块通常包括两个开关器件、两个反并联二极管以及一个电容。
通过控制开关器件的工作状态，可以控制子模块的工作状态。
对于调制策略，目前主要有阶梯波调制、多电平空间矢量调制、载波层叠PWM和载波相移PWM等。
这些策略各有优缺点，比如阶梯波调制实现简单，但输出波形质量较差；多电平空间矢量调制能够减少开关次数，但算法复杂度较高。
因此，选择合适的调制策略需要根据具体的应用场景和需求。
载波层叠PWM和载波相移PWM是近年来研究的热点。
这两种策略在传统的PWM技术基础上，通过优化载波的叠加和相移，能够提高输出波形的质量。
特别是载波相移PWM，它通过将载波的相位偏移与子模块的开关状态相结合，能够在不增加开关次数的情况下实现电平数的增加。
除了以上调制策略，还有一些研究关注于如何降低开关器件的损耗和噪声。
例如，通过优化开关器件的触发时间，可以降低开关损耗；通过优化载波的频率和幅度，可以降低电磁干扰和噪声。
总的来说，模块化多电平变流器的调制策略研究是一个充满挑战和机遇的领域。
随着电力电子技术的不断发展，我们有理由相信未来的调制策略将会更加高效、可靠和环保。
多电平逆变器技术介绍
多电平逆变器技术介绍摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史，然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。
关键词多电平；逆变器；钳位；级联H桥德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器，他在两电平半桥式逆变器电路的基础上，加人了开关管辅助钳位电路，得到了三电平电压输出。
但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式，故只能得到三电平输出，即使增多开关管也不能得到多电平输出，所以只能算是一种多电平逆变器的雏形，还算不上是真正的多电平逆变器。
1980年，日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展，在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。
这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。
由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要，又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。
随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现，1983年，P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。
1999年，Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。
1992年，法国学者T. A. Meynard和H. Foch，提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。
2000年由Fang Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后，在2000年的IEEE 工业应用(IAS)年会上，提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。
这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。
此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。
模块化多电平变换器的调制与控制策略研究
模块化多电平变换器的调制与控制策略研究1. 引言模块化多电平变换器是一种多级电力电子变换器，能够将直流电压转换为多个不同电平的交流电压。
它在工业和电力系统中广泛应用，具有高效、高可靠性和灵活性等优点。
本文将详细探讨模块化多电平变换器的调制与控制策略研究。
2. 模块化多电平变换器调制策略2.1 基础调制策略基础调制策略是指将模块化多电平变换器中的各个电平通过一定逻辑关系进行调制，以获取期望的输出电压波形。
常见的基础调制策略有： - 脉宽调制（PWM）：通过调整脉宽比来控制输出电压的幅值。
- 脉振调制（PWM）：通过调整脉冲数量来控制输出电压的幅值。
2.2 多电平合成调制策略多电平合成调制策略通过将多个电平的脉宽信号叠加起来形成最终的输出电压波形，以实现较高分辨率的电压调控。
常见的多电平合成调制策略有： - 多载波脉宽调制（MCPWM）：将多个载波信号与基础调制策略相结合，实现多电平的合成。
- 多电平脉振调制（MSPWM）：通过多个脉冲数量来实现多电平的合成。
3. 模块化多电平变换器控制策略3.1 传统控制策略传统的控制策略主要包括： - 比例积分控制（PI控制）：通过调整比例项和积分项的权重，实现输出电压的稳定控制。
- 直接功率控制（DPC）：通过测量输出功率并与期望功率进行比较，控制模块化多电平变换器的操作状态。
- 直接转换功率控制（DTPC）：将输出功率与期望功率的差值直接转换为控制信号，实现精确的功率控制。
3.2 先进控制策略先进的控制策略主要包括： - 预测控制（Model Predictive Control，MPC）：利用数学模型预测系统未来的行为，并根据预测结果进行控制决策。
- 模糊控制：基于模糊逻辑的控制方法，根据输入和输出的模糊集合关系进行控制决策。
- 神经网络控制：利用人工神经网络模拟人脑的学习和决策过程，实现模块化多电平变换器的自适应控制。
4. 实验研究与应用本文基于模块化多电平变换器进行了一系列实验研究，并将其应用于电力系统中。
基于电容电压波动的模块化多电平换流器电容电压均衡策略
第46卷第24期电力系统保护与控制Vol.46 No.24 2018年12月16日Power System Protection and Control Dec. 16, 2018 DOI: 10.7667/PSPC171777基于电容电压波动的模块化多电平换流器电容电压均衡策略陆 羿1，李继红1，裘 鹏1，徐雨哲2，肖晃庆2，徐 政2(1.国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310027；2.浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027)摘要：针对模块化多电平换流器(MMC)的子模块电容电压均衡问题，为了在较低的开关频率下抑制电容电压波动，提出了一种标记排序电容电压均衡策略。
标记排序均衡策略能够根据设定的电容电压波动率边界与每个子模块的投切状态和电容电压，将同一桥臂内的子模块标记为两种类型，分别进行排序与投切控制。
其中电容电压波动率边界可以根据系统运行的不同条件进行调整。
提出了用于评价电容电压均衡控制策略性能的两个通用性指标，分别为器件平均开关频率和桥臂的电容电压波动率。
在PSCAD/EMTDC中搭建了一个21电平MMC的测试系统，将标记排序均衡策略的控制性能和已有的两种电容电压均衡策略进行了仿真对比，并计算了不同均衡策略下MMC的损耗分布。
仿真结果证明了标记排序均衡策略的有效性。
最后，对电容电压波动率边界取不同值时的情况进行了仿真测试，给出了电容电压波动率边界的选取建议。
关键词：模块化多电平换流器；电压波动抑制；电容电压均衡；开关频率；损耗计算Capacitor voltage balancing algorithm for modular multilevel converters based on voltage fluctuationLU Yi1, LI Jihong1, QIU Peng1, XU Yuzhe2, XIAO Huangqing2, XU Zheng2(1. State Grid Zhejiang Electric Power Co., LTD, Hangzhou 310027, China;2. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Abstract: For the capacitor voltage balancing of Modular Multilevel Converters (MMC), in order to suppress the submodule (SM) capacitor voltage fluctuation with lower switching frequency, this paper proposes a mark sorting voltage balancing algorithm. The Mark Sorting V oltage Balancing Algorithm (MSVBA) marks SMs in one arm with two different labels according to the set fluctuation threshold, current state and capacitor voltage of each SM, and then sorts and switches SMs respectively. The fluctuation threshold can be adjusted artificially according to various conditions of the system. Two parameters are proposed to evaluate the performance of capacitor voltage balancing algorithms in this paper, which are the average switching frequency of power devices and the voltage fluctuation rate of arm. A detailed model of 21-level MMC-HVDC test system is built in PSCAD/EMTDC, and the MSVBA is compared with two previous algorithms in the test system. The loss distribution of the MMC under different capacitor voltage balancing algorithms is also calculated. The result proves the validity and the feasibility of the proposed MSVBA. Finally, the performances of the MSVBA with different fluctuation threshold are investigated and some suggestions on parameter selection are given.This work is supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (No. 52110417001J).Key words: modular multilevel converters; voltage fluctuation suppression; capacitor voltage balancing; switching frequency; loss calculation0 引言模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)作为一种适用于高压直流输电(High-基金项目：国家电网公司科技项目资助(52110417001J) V oltage Direct Current, HVDC)场合的电压源换流器(V oltage Source Converter, VSC)拓扑，最初在2001年被提出[1]。
模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势分析
模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势分析摘要：近年来，随着电力系统的快速发展和智能电网的实施，多电平逆变器在电力系统中的应用越来越重要。
模块化多电平逆变器作为一种新型逆变器，具有高效、灵活、可靠的特点，与传统的单电平逆变器相比，具有更大的优势。
本文将从以下几个方面对模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势进行分析。
1. 高效性能模块化多电平逆变器采用多级电路结构，由多个相互独立的单元构成。
相比于传统的单电平逆变器，模块化多电平逆变器在电能转换过程中能够有效降低损耗，提高能量利用率。
其高效性能不仅能够减少电能消耗，降低供电成本，还能够对电力系统的负载性能进行优化，提高系统的稳定性和可靠性。
2. 灵活性和可拓展性模块化多电平逆变器可以根据不同的电力系统需求进行灵活的组合。
其可拓展性使得多个逆变器模块可以在同一系统中并行运行，从而提供更大的输出功率。
此外，模块化多电平逆变器还可以根据需要进行模块的增减，以应对不同负载需求的变化。
这种灵活性和可拓展性为电力系统的规模化应用提供了更多的可能性，能够更好地适应系统的变化和发展。
3. 技术先进性模块化多电平逆变器采用现代控制技术和先进的功率电子器件，具有更高的性能和可靠性。
通过使用高频开关技术和矢量控制算法，模块化多电平逆变器能够实现精确的电压和频率调节，提供更高质量的电力输出。
同时，模块化设计使得故障发生时仅需替换故障模块，减少了维修和维护成本，提高了系统的可靠性和可用性。
4. 适应性和互联互通能力模块化多电平逆变器能够适应不同类型和规模的电力系统。
无论是微电网、光伏发电系统还是风能发电系统，模块化多电平逆变器都能够灵活应用，并与其他设备实现互联互通。
这种适应性和互联互通能力为电力系统的安全运行和智能管理提供了有力的支持。
结论：模块化多电平逆变器作为一种新兴的逆变器技术，在电力系统中具有诸多应用优势。
其高效性能、灵活性和可拓展性、技术先进性以及适应性和互联互通能力，使得模块化多电平逆变器成为电力系统中不可或缺的关键组件。
多电平逆变器的工作原理、控制方法以及仿真
目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (55)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (57)5.3.2仿真结果与分析 (57)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (58)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (58)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (59)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。
在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。
多电平逆变器技术及其原理综述
收稿日期：2011－06－21作者简介：蔡兴（1987-），男，江西新建人，学士，主要研究方向：电气自动化。
0引言自20世纪50年代电力电子技术诞生以来，经过几十年的飞速发展，至今已被广泛应用于电力系统、电机调速等需要电能变换的领域。
日本学者南波江章（A.Naba ）于1980年提出三电平中点钳位逆变器以来，引起人们的普遍关注。
由于在节能、可靠性和性能指标等方面的巨大优势,使得它越来越多地被人们所采用。
经过近30年的研发，很多学者相继提出了具有实际意义的多电平逆变器电路及多种多电平逆变器的调制控制方法。
当前的多电平逆变器的主要结构有：H 桥级联式（Cascaded H-bridge ）、电容箝位式（Capacitor-Clamped ）、二极管箝位式（Diode-Clamped ）、飞跨电容嵌位式（Flying-Capacitors ）。
为了更好地利用这项技术，许多研究人员提出了一些改进：在拓扑的研究方面，改进的主要方向是减少器件使用数量，并解决电容电压的不平衡等问题;在控制方面，改进的主要方向是优化输出波形和算法等[1]（p5-13）。
1多电平逆变器种类及优缺点分析1.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点二极管钳位式多电平逆变器是研究最早和应用最多的一种多电平逆变器。
二极管钳位式多电平逆变器是通过串连的一系列电容将较高电压分成一系列较低的电压。
一个M 电平的二极管钳位多电平逆变器在直流侧需要M-1个电容。
例如一个三相五电平二极管钳位式逆变器的一相，在其直流侧含有4个大小相同的电容C 1,C 2，C 3和C 4。
若直流侧的总电压为1V ，那么每个电容上分得的电压为V/4，并且通过钳位二极管的作用，每个开关器件上的电压应就限制在一个电容的电压V/4上，这样逆变器合成的输出电压就可以相对地提高了。
二极管钳位多电平逆变器只需要一个公共的直流电源，这使它的整流侧设计比较简单。
虽然开关器件被钳位在V/4电压上，但是钳位二极管却要承受不同倍数的V/4反向电压。
多电平逆变器的主电路结构及其工作原理
多电平逆变器的主电路结构及其工作原理1. 引言多电平逆变器是一种广泛应用于电力电子领域的电路结构，它可以将直流电能转换为多个不同电平的交流电能，使得电能的输出更加稳定和高效。
本文将介绍多电平逆变器的主电路结构以及其工作原理。
2. 主电路结构多电平逆变器的主电路结构主要包括直流电源、开关器件、电容和电感等元件组成。
2.1 直流电源直流电源是多电平逆变器的输入端，通常是通过整流器将交流电能转换为直流电能。
直流电源的电压和容量决定了多电平逆变器的输出能力。
2.2 开关器件开关器件是控制多电平逆变器工作的关键组成部分。
常用的开关器件包括MOSFET、IGBT和GTO等。
通过控制开关器件的导通和关断过程，可以实现直流电能到交流电能的转换。
2.3 电容和电感电容和电感是用来滤波和储能的元件。
电容可以平滑输出电压和电流，减小输出的波动性；而电感则可以储存电能，并提供稳定的电流输出。
3. 工作原理多电平逆变器的工作原理是通过调整开关器件的导通和关断时间，控制输出电压的波形和电平数量。
具体工作原理如下：1. 初始化阶段：启动逆变器时，在给定的电压和电流条件下，控制开关器件的初始状态。
2. 正常工作阶段：在逆变器正常工作时，开关器件按照预设的控制规律进行导通和关断。
通过合理的开关频率和占空比控制，可以实现多电平输出，从而提高输出的波形质量和效率。
3. 故障恢复阶段：当逆变器遇到故障或异常情况时，及时进行故障检测和处理，保证逆变器的安全稳定运行。
4. 应用领域多电平逆变器广泛应用于电网无功补偿、电力传输、工业控制和新能源领域等。
它的高效稳定的输出特性，使得它成为了现代电力电子系统中不可缺少的关键技术。
5. 结论多电平逆变器的主电路结构和工作原理已在本文中进行了简单介绍。
深入了解和研究多电平逆变器的电路结构和工作原理，对于提高电能转换的效率和质量具有重要意义。
以上是关于多电平逆变器的主电路结构及其工作原理的文档，希望对您有所帮助。
模块化多电平变换器全桥型子模块优化均压控制方法
迫机＞易校镂丿应用2021,48(3)电力电子变流器技术EMCA模块化多电平变换器全桥型子模块优化均压控制方法**刘道正-金鑫-游坤奇S刘罗S刘西蒙S易灵芝$(1.湖南电器科学研究院有限公司，湖南长沙410009；2.湘潭大学自动化与电子信息学院湖南省多能源协同控制技术工程研究中心，湖南湘潭4门105)摘要：模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比，当SM增加时，会导致MMC的开关损耗急剧增加，因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。
采用最近电平逼近调制(NLM)方式,提出一种基于全桥型SM的改进均压排序法，旨在降低MMC中功率器件IGBT的开关频率,该方法实现相对简单，无需额外的控制器，且易于扩展。
最后,通过在MATLAB/Simulink平台搭建了19个全桥SM的仿真模型，验证了该方法的有效性。
验证了所提全桥型SM优化均压策略，可以有效避免IGBT 不必要的反复投切，降低IGBT的开关损耗,同时对外部输出特性不会产生负面影响。
关键词：模块化多电平变换器；改进均压排序法；开关损耗；全桥子模块中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：1673-6540(2021)03-0075-06doi：10.12177/emca.2020.219Optimization of Voltage Sharing Control Method for Full-BridgeSub-Module of Modular Multilevel Converter*LIU Daozheng1,JIN Xin,YOU Kunqi1,LIU Luo2,LIU Ximeng2,YI Lingzhi2(1.Hunan Electrical Apparatus Research Institute Co.,Ltd.,Changsha410009,China;2.School of Automation and Electronic Information,Hunan Province Cooperative Innovation Center forWind Power Equipment and Energy Conversion,Xiangtan University,Xiangtan411105,China)Abstract：The number of modular multilevel converter(MMC)sub-modules(SMs)is proportional to the voltage of DC side.When the SM number increases,the switching loss of MMC will increase sharp,so reducing the switching frequency of power devices has been an important research direction of MMC.The nearest level modulation(NLM)is adopted and an improved equal-voltage ranking method based on a full-bridge SM is proposed,aiming to reduce the switching frequency of IGBT in MMC.This method is relatively simple,requires no additional controller and is easy to be extended.Then,19simulation models of full-bridge SM are built on MATLAB/Simulink platform to verify the effectiveness of the method.It is verified that the proposed full-bridge SM optimization voltage-sharing strategy can effectively avoid unnecessary repeated switching of IGBT,reduce the switching loss of IGBT,and have no negative eflects on the external output characteristics.Key words:modular multilevel converter;improved equal-voltage ranking method;switching loss;fullbridge sub-module收稿日期：2020-12-07；收到修改稿日期：2021-01-15*基金项目：国家自然科学基金项目(615724⑹；湖南省自科基金株洲联合基金项目(2020JJ6009);大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室开放课题作者简介：刘道正(1988—)，男，硕士，工程师，研究方向为高低压电器产品检测方法和设备。
模块化多电平逆变器共模电压研究
电气传动2017年第47卷第1期模块化多电平逆变器共模电压研究郭艳华，高跃（武汉船用电力推进装置研究所，湖北武汉430064）摘要：对模块化多电平逆变器（MMC ）中，开关动作和子模块电容电压波动产生的共模电压展开研究。
先用双傅立叶分解法推导了载波移相调制方式下各个子模块的PWM 波频域表达式，然后对子模块电容电压的低频特性进行分析，最后分析了共模电压的成份及来源，并给出计算式。
在Matlab 中搭建了模型，通过仿真对理论分析进行验证，对比结果证明了理论分析的正确性。
关键词：模块化多电平逆变器；共模电压；载波移相中图分类号：TM464文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.20170110Study of Common Mode Voltage in Modular Multi -level Converter GUO Yanhua ，GAO Yue（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion ，CSIC ，Wuhan 430064，Hubei ，China ）Abstract:This research was launched aiming at the common mode voltage causing by the switch shifting andthe voltage ripple of capacitor in sub -module when operating.First ，double Fourier method was used to give the PWM wave presented in frequency domain using carrier phase shift modulation ；then ，the characteristics of low frequency voltage ripple of capacitor in sub -module was analyzed ；finally ，the components and its source of common mode voltage were analyzed ，the calculation method of the components was also given.A model was built in Matlab to provethe analysis ，and the result shows that the analysis is right.Key words:modular multi -l evel converter ；common mode voltage ；carrier phase shift作者简介：郭艳华（1987-），男，硕士，Email ：871300740@ELECTRIC DRIVE 2017Vol.47No.1模块化多电平换流器（MMC ）结构由德国学者于2002年提出，最早运用于直流输电工程。
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PublishedinIETPowerElectronicsReceivedon3rdMarch2009Revisedon29thNovember2009doi:10.1049/iet-pel.2009.0184
ISSN1755-4535Modularmultilevelinverter:pulsewidth
modulationandcapacitorbalancingtechniqueG.P.Adam1O.Anaya-Lara1G.M.Burt1D.Telford2B.W.Williams1J.R.McDonald11DepartmentofElectronicandElectricalEngineering,StrathclydeUniversity,RoyalCollegeBuilding,204GeorgeStreet,
Glasgow,G11XW,UK2PWMDrivesLtd,55WoodhallRoad,Edinburgh,EH130HD,UK
E-mail:grain.adam@eee.strath.ac.uk
Abstract:Modularmultilevelinvertershavebeenproposedasapotentialreplacementfordiode-clampedinvertersinhigh-voltage,high-powerapplicationsastheycanbeextendedtoanynumberoflevelswithoutintroducingsignificantlymorecomplexitytothecontrolsystem.Thisstudydiscussesindetailtheprincipleofoperation,carrier-basedpulsewidthmodulationandacapacitorsvoltagebalancingtechniqueforthree-levelandfive-levelmodularinverters.Themodulationandbalancingstrategypresentedareconfirmedbysimulationsandtheresultsarediscussed.
1IntroductionMultilevelinvertershavedrawninterestintheelectricalpowerindustryinrecentyears.Theyofferasetoffeaturesthatarewellsuitedtohigh-voltagedrivesystemsandpowersystemapplicationssuchashighvoltagedc(HVDC)transmission,reactivepowercompensationequipment,powerconditioning,activepowerfilteringandsoon.Theuniquestructureofmultilevelvoltagesourceinvertersallowthemtooperateathighvoltageswithlowharmoniccontentwithouttheuseoftransformersandfiltercircuits,andwithouttheneedtoincreasetheswitchingfrequency[1–3].Forac/dc/acconversion,whichisacommonrequirementinmanyhigh-voltagehigh-powerapplications,thediode-clampedconvertertopologyispreferred,becauseitinheritsallthefeaturesoftwo-levelinverterssuchaseaseofregenerationandinterconnectionofthetwoacendsviaacommondclink.Italsoallowsthenumberofacinputandoutputphasestobedifferent.However,theproperuseofthistopologyrequiresbalancingofthedclinkcapacitorvoltageswhennon-zerorealpowerisexchangedbetweenthetwoacsides[1–9].Someattractivefeaturesofdiode-clampedmultilevelinvertersarelowdv/dtcomparetotwo-levelinverters(attheswitchingfrequency)andlowcommonmodevoltage[2–12].Nevertheless,diode-clampedinverterssufferfromtheproblemofvoltageimbalanceofthedclinkcapacitors;thisproblemincreasescomplexitywithanincreasingnumberoflevels[2,3].Theeffectofstrayinductanceintheclampingpathsisaproblem.
Thetwo-switchbasedmodularmultilevelinverters,proposedin[13],issimplerthanthecascadedfour-switchH-bridge-basedconverterandhasseveraladvantages,suchasmodularextensiontoanynumberoflevelsandredundancy.
Theoperatingprincipleofthemodularmultilevelinverterisdiscussedin[13–15]withrespecttoonlyonetwo-levelcellandspacevectorpulsewidthmodulation(PWM)isusedwiththemultilevelinverter.Theuseofspacevectormodulationwiththemodularmultilevelconverterisvague,becausetheconverterdependsonphasevoltageredundancyinbalancingthecapacitorvoltagesratherthanline-to-linevoltageasincaseofthediode-clampedinverter.However,detaileddiscussionoftheprincipleofoperation,multilevelPWMandcellcapacitorbalancingmethodshasnotbeengiven.Classificationofmodularmultilevelconverters,capacitorvoltagebalancingmethodsanditscontrolsystems
702IETPowerElectron.,2010,Vol.3,Iss.5,pp.702–715&TheInstitutionofEngineeringandTechnology2010doi:10.1049/iet-pel.2009.0184
www.ietdl.orghavebeendiscussed[16];however,detailedexplanationofthenecessarycapacitorbalancingmethod,modulationandpowerpathsarevague.Additionally,thecapacitorvoltagebalancingmethodproposedhasseveraldrawbacks,mainlyitrequiresexternalcapacitorvoltagereferencesanddoesnotwithstandunbalancedoperationorseveretransientssuchasthree-phaseandasymmetricalfaults.Theaimofthispaperistoconsidertheseoutstandingissues,extendingthestudytothree-andfive-levelmodularinverters.Themodulationtechniqueisbasedonsinusoidalpulsewidthmodulation(SPWM),andthedclinkcapacitorbalancingmethodisdiscussedindetailandverifiedbySimulinksimulations.Thecapacitorvoltagebalancingmethodproposedinthispaperdoesnotrequirethespecificationofanexternalreference;insteaditdistributesthedclinkvoltageequallybetweenthebridgecapacitors.Thisallowsthedclinkvoltagetoberampedupfrom0toreducetheinrushcurrentduringstartingandthemethodiscapableofmaintainingvoltagebalanceofthedclinkcapacitorsduringunbalancedoperationandanyfaults.
2Modularmultilevelinverter2.1BasicoperatingprincipleFig.1ashowsonecellofamodularmultilevelconverter.WhentheswitchingdeviceSmisonandScisoff,outputvoltageVo¼0;whentheswitchingdeviceSmisoffandSc
ison,voltageVo¼Vdc.Table1summarisestheswitch