戴鵬，聶雄，公錚，郭國(guó)勝

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008）

一種改進(jìn)的模塊化多電平變換器調(diào)制策略研究

戴鵬，聶雄，公錚，郭國(guó)勝

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008）

在介紹了模塊化多電平變換器（MMC）基本運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)的統(tǒng)一脈寬調(diào)制（SUP-WM），針對(duì)該調(diào)制策略輸出電壓電平數(shù)只能達(dá)到n+1（n是MMC各橋臂子模塊個(gè)數(shù)），采用一種改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略，該調(diào)制策略可以使得輸出電壓電平數(shù)達(dá)到2n+1，降低了輸出電壓的諧波含量和開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。最后通過(guò)Matlab/Simulink和MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略進(jìn)行驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該調(diào)制策略正確、有效。

模塊化多電平變換器；統(tǒng)一脈寬調(diào)制；調(diào)制策略；電容均壓

1 引言

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)在節(jié)能減排、智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，多電平變換器應(yīng)用技術(shù)成為解決高壓大功率變換的較好選擇。2002年德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)的R.Marquart提出了模塊化多電平變換器（MMC）。MMC采用嚴(yán)格的模塊化結(jié)構(gòu)，通過(guò)子模塊電壓疊加輸出高電壓，輸出電壓諧波含量少，且無(wú)需額外的濾波器和變壓器，適用于輕型直流輸電系統(tǒng)。同時(shí)，模塊化多電平變流器保護(hù)電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)［1］分析了一種載波移相的調(diào)制策略，該策略雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但需要通過(guò)多級(jí)閉環(huán)控制子模塊電容電壓的平衡；文獻(xiàn)［2］提出了一種最近電平逼近調(diào)制策略，該策略具有較好的跟隨性，但算法是在一定近似基礎(chǔ)上得到的，在電平數(shù)較低的情況下會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；文獻(xiàn)［3］分析了一種統(tǒng)一脈寬調(diào)制策略（SUPWM），該策略通過(guò)排序來(lái)確定子模塊的導(dǎo)通或關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電容均壓，但輸出電壓電平數(shù)只能達(dá)到n+1。本文對(duì)SUPWM調(diào)制策略加以改進(jìn)，使得輸出電壓電平數(shù)達(dá)到最大的2n+1，同時(shí)每個(gè)電平階梯電壓是傳統(tǒng)SUPWM的一半，降低了輸出電壓的諧波含量和開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。最后，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該調(diào)制策略的可行性和正確性。

2 MMC基本運(yùn)行原理

MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1a是MMC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相由上下2個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂由n個(gè)子模塊（SM，submodule）和1個(gè)電抗器L0串聯(lián)構(gòu)成。子模塊的結(jié)構(gòu)如圖1b所示，每個(gè)子模塊由2個(gè)全控型開(kāi)關(guān)管VT1,VT2和1個(gè)電容構(gòu)成。通過(guò)VT1和VT2的通斷，可使子模塊處于投入、切除和閉鎖狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)子模塊的投入和切除。

圖1MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of MMC

模塊化多電平變換器的每個(gè)橋臂可看作是獨(dú)立的受控電壓源，每相的工作原理相同，以a相為例進(jìn)行分析，圖2為MMC的a相等效電路圖。

圖2 a相等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of phase a

圖2中，

由式（1）和式（2）可得

式中：Udc為直流側(cè)電壓；uap為a相上橋臂的電壓；uan為a相下橋臂的電壓；ua為a相輸出電壓。

3 MMC調(diào)制策略分析

3.1 SUPWM調(diào)制策略的實(shí)現(xiàn)

為提高逆變器直流側(cè)電壓利用率，橋臂電壓調(diào)制波選取時(shí)在基波含量的基礎(chǔ)上疊加約16.7%的3次諧波［4］，a相上下橋臂調(diào)制波表達(dá)式為

式中：uap_ref(t)為a相上橋臂調(diào)制波；uan_ref(t)為a相下橋臂調(diào)制波；m為輸出電壓調(diào)制比。

每個(gè)橋臂的調(diào)制情況相同，以a相上橋臂進(jìn)行分析。由式（5）可知

其中，k的計(jì)算表達(dá)式為

每個(gè)橋臂在任意時(shí)刻均有k個(gè)子模塊處于投入狀態(tài)、n-k-1個(gè)子模塊處于切除狀態(tài)以及1個(gè)子模塊處于PWM狀態(tài)。以上分析均是在子模塊電容電壓均衡的條件下成立的，為使子模塊電容電壓均衡，本文采用文獻(xiàn)［3］所述的排序法來(lái)實(shí)現(xiàn)均壓。

3.2 傳統(tǒng)SUPWM

為保證同一相中任一時(shí)刻有且只有n個(gè)子模塊處于投入狀態(tài)，所以同一相中的上、下橋臂處于PWM狀態(tài)的2個(gè)子模塊應(yīng)采取互補(bǔ)的控制策略［5］，其三角載波相差180°，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)SUPWM方法處于PWM狀態(tài)的子模塊的調(diào)制Fig.3 Modulation of the submodules under PWM state with the conventional SUPWM

上下橋臂等效調(diào)制波為

從圖3中可得上橋臂和下橋臂處于PWM狀態(tài)的子模塊的電容電壓之和總為Udc/n，上橋臂導(dǎo)通的子模塊個(gè)數(shù)k或k+1，下橋臂導(dǎo)通的子模塊個(gè)數(shù)是n-k或n-k-1，從而可保證每相導(dǎo)通的子模塊數(shù)總為n，上下橋臂的電壓和輸出相電壓分別為

1）圖3中t0—t1，t2—t3時(shí)刻

2）圖3中t1—t2時(shí)刻

因此在每個(gè)周期TPWM內(nèi)，其輸出相電壓在（n/2-k）Udc/n和（n/2-k-1）Udc/n之間變化，相差Udc/n。又由式（3）、式（4）可得

上橋臂電壓uap和下橋臂電壓uan都最多有n+1種電平（0，Udc/n，2Udc/n，…，（n-1）Udc/n，Udc）。從式（13）可以得出該調(diào)制策略的輸出相電壓是n+1電平。

3.3 改進(jìn)型SUPWM

從前面的分析可以得出SUPWM調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)子模塊電容均壓，并且不需要通過(guò)閉環(huán)控制，但是其輸出電壓電平數(shù)比文獻(xiàn)［6］所述載波移相的輸出電壓電平數(shù)少一半。因此本文提出了改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略。

改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略的具體實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。將其與圖3中傳統(tǒng)SUPWM中的上下橋臂載波進(jìn)行對(duì)比可知：傳統(tǒng)SUPWM上下橋臂載波相差180°，而改進(jìn)型SUPWM上下橋臂采用相同的載波，不需要將其反相。上下橋臂等效的調(diào)制波與傳統(tǒng)SUPWM一樣，如式（7）和式（8）所示。子模塊電容均壓策略采用排序的均壓策略。然而通過(guò)這一改變可以增加輸出電壓的電平數(shù)，下面將進(jìn)行具體分析。

從圖4可以看出，改進(jìn)后的SUPWM調(diào)制策略，上橋臂導(dǎo)通的子模塊個(gè)數(shù)是k或k+1，下橋臂導(dǎo)通的子模塊個(gè)數(shù)是n-k-1或n-k，該調(diào)制策略下導(dǎo)通的子模塊個(gè)數(shù)為n-1，n和n+1，上下橋臂的電壓和輸出電壓有以下4種情況：

圖4 改進(jìn)型SUPWM方法處于PWM狀態(tài)的子模塊的調(diào)制Fig.4 Modulation of the submodules under PWM state with the improved SUPWM

1）圖4a和圖4b中t0—t1，t4—t5時(shí)刻

2）圖4a中t1—t2，t3—t4時(shí)刻

3）圖4b中t1—t2，t3—t4時(shí)刻

4）圖4a和圖4b中t2—t3時(shí)刻

將傳統(tǒng)SUPWM的輸出電壓與改進(jìn)型SUPWM的輸出電壓進(jìn)行對(duì)比可得，改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略比傳統(tǒng)SUPWM調(diào)制策略的輸出電壓多了（n/2-k-1/2）Udc/n。因此改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略多出n個(gè)輸出電壓，其相電壓能達(dá)到（2n+1）電平。傳統(tǒng)SUPWM與改進(jìn)型SUPWM 2個(gè)電平之間的電壓差分別為Udc/n和Udc/2n。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)研究

圖5 改進(jìn)型SUPWM仿真波形Fig.5 The simulation waveforms with the improved SUPWM

為了驗(yàn)證本文所提出的改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中，搭建仿真模型，仿真波形如圖5所示。直流母線側(cè)電壓Udc為6 000 V，每個(gè)橋臂有4個(gè)子模塊，子模塊電容參考電壓為1 500 V，橋臂電感L0為5 mH，子模塊電容為1 880 μF，載波頻率是2kHz，負(fù)載電阻RL為100Ω，負(fù)載電感LL為30 mH。

在相同的條件下，采用傳統(tǒng)SUPWM調(diào)制策略進(jìn)行仿真，仿真波形如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)SUPWM仿真波形Fig.6 The simulation waveforms with the conventional SUPWM

從圖5中可以看出，輸出電壓為良好的正弦波。通過(guò)電容均壓控制策略，子模塊電容電壓在參考值附近波動(dòng)，波動(dòng)范圍在5%以?xún)?nèi)。

將圖5與圖6進(jìn)行對(duì)比，得到傳統(tǒng)SUPWM調(diào)制策略與改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略的性能指標(biāo)如表1所示。

從表1中可以看出改進(jìn)型SUPWM輸出電壓的電平數(shù)由傳統(tǒng)SUPWM的5增加至9，每個(gè)電平階梯的電壓是傳統(tǒng)SUPWM的一半，其輸出電壓的諧波含量由傳統(tǒng)SUPWM的25.04%降低至12.77%，輸出電流的諧波含量由傳統(tǒng)的5.29%降低至1.45%，諧波含量大大降低。

表1 2種調(diào)制策略的性能Tab.1 Performance of the two kinds of modulation strategy

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略，搭建了MMC的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。分別對(duì)傳統(tǒng)SUPWM和改進(jìn)SUPWM進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：橋臂子模塊個(gè)數(shù)4，直流側(cè)電壓100 V，橋臂電抗5 mH，子模塊電容1 880 μF，負(fù)載由50 Ω的電阻和15 mH的電抗組成。

圖7為傳統(tǒng)SUPWM和改進(jìn)型SUPWM實(shí)驗(yàn)波形。

圖7 傳統(tǒng)SUPWM和改進(jìn)型SUPWM實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms with the conventional SUPWM and the improved SUPWM

從圖7a可以看出輸出相電壓為5電平，各電平之間差值為25 V；圖7c為傳統(tǒng)SUPWM輸出相電流波形；圖7e為傳統(tǒng)SUPWM相電流FFT分析，THD是5%。圖7b為改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略a相輸出相電壓及a相上橋臂第4個(gè)子模塊電容電壓與下橋臂第4個(gè)子模塊電容電壓波形，可以看出輸出相電壓是9電平，與理論分析完全相符，各電平之間差值是12.5 V，且子模塊電容電壓值在25 V上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度為1 V左右；圖7d為改進(jìn)型SUPWM相電流波形；圖7f為改進(jìn)型SUPWM相電流FFT分析，THD由傳統(tǒng)SUPWM的5%降低至1.2%。證明了改進(jìn)后的調(diào)制策略在輸出電壓電平數(shù)、電平之間差值、輸出電壓的諧波含量等方面均具有優(yōu)越性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文所提調(diào)制策略正確有效。

5 結(jié)論

本文在介紹了MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)SUPWM調(diào)制算法，在此基礎(chǔ)上對(duì)該調(diào)制策略進(jìn)行改進(jìn)。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)改進(jìn)型SUPWM進(jìn)行驗(yàn)證，從輸出相電壓、輸出相電流、子模塊電容均壓效果等方面驗(yàn)證了其正確性。還將傳統(tǒng)SUPWM和改進(jìn)型SUPWM調(diào)制策略進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明改進(jìn)后的調(diào)制策略在輸出電壓電平數(shù)、電平之間電壓差值、輸出電壓的諧波含量等方面均具有優(yōu)越性。

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修改稿日期：2014-11-25

Improved Modulation Strategy for Modular Multilevel Converter

DAI Peng，NIE Xiong，GONG Zheng，GUO Guo-sheng
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining Technology，Xuzhou221008，Jiangsu，China）

The topology and the principle of modular multilevel converter（MMC）were introduced.Then the theory of conventional submodule unified pulse width modulation（SUPWM）was recommended.Based on the output voltage level with this modulation strategy could reach onlyn+1（wherenis the number of submodules in each arm of MMC）.An improved SUPWM modulation algorithm of the MMC was proposed.This method could generate an output voltage with 2n+1，so it could reduce harmonic content in the output voltage and diminish the voltage stress of switching devices.Last，the simulation and experiments were respectively conducted in Matlab/Simulink and MMC prototype，both the simulation and experimental results verify the feasibility and correctness of the modulation strategy.

modular multilevel converter（MMC）；submodule unified pulse width modulation（SUPWM）；modulation strategy；capacitor voltage balancing

TM46

A

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYLX_1384）

戴鵬（1973-），男，博士，教授，Email：nxcumt@163.com

2014-06-27