模塊化多電平高壓變頻器拓撲結(jié)構(gòu)及其控制

鄭征，崔燦

（河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000）

模塊化多電平高壓變頻器拓撲結(jié)構(gòu)及其控制

鄭征，崔燦

（河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000）

新型的模塊化變換裝置在高壓大功率場合逐漸得到應(yīng)用，概述了模塊化多電平換流器（modularmultilevel converter，MMC），通過分析MMC的拓撲結(jié)構(gòu)及其工作機制，建立了基于開關(guān)函數(shù)的MMC數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上采用載波正負反相層疊脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（POD-PWM）及基于排序法的電容電壓平衡控制，實時檢測換流器各子模塊電容電壓并進行排序，根據(jù)每一相上、下橋臂電流方向，對子模塊進行充電、放電或者旁路操作，達到控制電容電壓平衡的目的。在Matlab-Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明該方法可行且有效，實現(xiàn)了換流器正常運行、電容電壓穩(wěn)定的預期目標。

模塊化多電平換流器；開關(guān)函數(shù)；電壓均衡控制

高壓多電平交-直-交變頻器的逆變電路拓撲主要有功率器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)、二極管箝位型結(jié)構(gòu)、飛跨電容型結(jié)構(gòu)、單元串聯(lián)級聯(lián)結(jié)構(gòu)[1]。二極管箝位型多電平結(jié)構(gòu)，不利于實現(xiàn)高電平，易形成不平衡的電容電壓[2]；飛跨電容型結(jié)構(gòu)隨著電平數(shù)量的增加，所需電容的個數(shù)劇增，存在飛跨電容電壓不平衡問題[3-4]。級聯(lián)型H橋變換器作為級聯(lián)型高壓變換器的代表，在冶金、礦山、造紙等行業(yè)得到應(yīng)用，但是每個功率單元均需要獨立的低壓直流工作電源，因此需要由多繞組輸出的移相變壓器來提供獨立電源，隨著電平數(shù)增多，需要變壓器副邊繞組也越多，而多繞組變壓器體積大，制造困難，成為制約其廣泛應(yīng)用的一個重要因素[5-6]。近些年，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)受到廣泛關(guān)注，它繼承了H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，通過功率單元的級聯(lián)實現(xiàn)多電平輸出。每個功率單元由一個兩電平橋臂構(gòu)成，且所有的電容處于懸浮狀態(tài)，由于存在公共直流母線，可采用單一直流電壓而不需要多繞組變壓器[7]，該換流器產(chǎn)生諧波少，開關(guān)損耗與畸變率低，在高壓直流輸電方向已有應(yīng)用。

本文將MMC結(jié)構(gòu)移植到高壓變頻器逆變電路中，建立換流器的開關(guān)函數(shù)模型，采用載波層疊調(diào)制技術(shù)，通過對各個子模塊電容電壓檢測、排序、充放電來實現(xiàn)電容電壓平衡控制，最后在Matlab-Simulink環(huán)境下建立模型進行仿真驗證。

1 高壓變頻器中MMC拓撲結(jié)構(gòu)

基于MMC的高壓變頻器，網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)變流器形成背靠背的對稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示，整流和逆變部分均采用全控器件組成，網(wǎng)側(cè)主要為負載側(cè)提供高精度穩(wěn)定直流電源，負載側(cè)則為電動機提供高質(zhì)量交流電源。該變頻器功率因數(shù)高，節(jié)約能源，為“綠色電能變換器”。本文主要分析逆變單元工作機制及其控制策略。

MMC拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，換流裝置由A、B、C三相組成，每一相分為上、下兩個橋臂，每個橋臂由個完全相同的子模塊（sub-modular，SM）級聯(lián)而成。每個橋臂子模塊可以進行有選擇的控制，從而可將其等效為一個可控理想電壓源，作為逆變器使用時，通過控制每個橋臂子模塊導通狀態(tài)，就可以在輸出端得到所需的正弦電壓。該換流器結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運行，彌補了傳統(tǒng)換流裝置的一些不足，輸出電能質(zhì)量高。

圖1 基于MMC變頻器拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 MMC拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

子模塊可分為上、下兩個橋臂，共有6種工作模式，可分為閉鎖、切出、投入3種工作狀態(tài)，詳情如表1所示。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，子模塊兩個IGBT全部被關(guān)斷，處于閉鎖狀態(tài)，正常工作時每個子模塊都處于投入或者切出狀態(tài)，如圖3所示。

表1 SM子模塊工作狀態(tài)分類

圖3 SM工作狀態(tài)

2 基于開關(guān)函數(shù)的MMC數(shù)學模型

MMC系統(tǒng)采用相同子模塊級聯(lián)而成，所以三相運行狀態(tài)完全相同，本文分析皆以A相為例。當系統(tǒng)的子模塊投入運行時，子模塊的輸出電壓為并聯(lián)電容的電壓值；切出時，子模塊輸出電壓為0，由此可將橋臂子模塊的數(shù)學模型用開關(guān)函數(shù)來表達：則用開關(guān)函數(shù)表示的子模塊輸出電壓為：

根據(jù)式（2）可得橋臂電壓為：

由式（3）、式（4）可得MMC系統(tǒng)A相輸出電流、電壓分別為：

3 排序法MMC電容電壓平衡控制

目前MMC調(diào)制策略主要有階梯波脈寬調(diào)制技術(shù)、消除特定次諧波調(diào)制、移相多載波調(diào)制技術(shù)、開關(guān)頻率最優(yōu)化、空間矢量PWM等，上述調(diào)制方法均有可能因開關(guān)頻率過高而帶來較大的損耗，使功率器件的開關(guān)頻率潛能得不到充分發(fā)揮，尤其在多電平高壓變換電路中，該問題尤為嚴重。本文采用載波層疊技術(shù)中的正負反向?qū)盈BPWM（POD-PWM）控制法，在消除電壓諧波方面具有一定優(yōu)勢，同時通過提高等效開關(guān)頻率，減小系統(tǒng)損耗，在子模塊方面，采用排序法進行子模塊電容電壓平衡控制。

基于MMC結(jié)構(gòu)的對稱性，以A相上橋臂為例進行分析，并假設(shè)上橋臂子模塊數(shù)目為。采用載波正負反向?qū)盈B法對MMC主電路進行控制，輸出逆變電壓，通過檢測逆變輸出電壓，通過C語言程序判斷橋臂需要導通的子模塊數(shù)目（假設(shè)為個，0≤≤），同時通過測量獲得個子模塊的電容電壓值以及橋臂電流方向。當電流為正時，對個電容電壓值按照從小到大的順序進行排列，給前個子模塊發(fā)送開通信號，投入運行并進行充電，每個子模塊輸出電壓值為，其余－個子模塊發(fā)送關(guān)斷信號，處于切除狀態(tài)，每個子模塊輸出電壓為0；當電流為負時，對個電容電壓值按照從大到小的順序進行排列，給前個子模塊發(fā)送開通信號，投入運行并進行放電，每個子模塊輸出電壓值為，其余－個子模塊發(fā)送關(guān)斷信號，處于切除狀態(tài)，每個子模塊輸出電壓為0，下橋臂控制原理相同。

電容電壓的平衡控制，主要通過使用Matlab-Simulink仿真中Embedded Matlab Function模塊、編寫C語言程序?qū)崿F(xiàn)算法預期控制效果，程序流程如圖4所示。

圖4 SM電容電壓平衡控制算法流程

4 MMC仿真分析

首先，在Matlab-Simulink仿真環(huán)境下搭建三相七電平MMC逆變器模型，采用載波正負反向?qū)盈B法控制；然后采用快速傅里葉法對輸出相電壓進行分析，分析其諧波含量以及總諧波畸變率，以驗證建立模型、控制策略的有效性，模型參數(shù)如表2所示。

表2 MMC仿真參數(shù)

圖5為子模塊電容電壓波形。根據(jù)理論計算，子模塊電容電壓理想值應(yīng)為直流母線電壓d的1/，此模型中d=200 kV，=6，經(jīng)計算電容電壓值約為33.33 kV，仿真結(jié)果顯示電容電壓基本穩(wěn)定在33.35 kV，與理論計算值相比，電壓超出理論值的0.06%，十分接近，證明控制算法的可行性。觀察放大后的波形，可以看出電壓在33.35 kV上下波動，范圍在0.33%左右，說明在電壓平衡控制策略下電容電壓達到了較好的穩(wěn)定性。

圖6為在Simulink下使用二階濾波模塊處理前后的相電壓波形，由圖6可以看出，經(jīng)過濾波處理，輸出電壓即可達到較完美的正弦波。

圖5 SM電容電壓波形

圖6 MMC相電壓波形

為檢驗算法控制效果，利用Simulink內(nèi)的電力圖形用戶界面對輸出電壓、電流進行快速傅里葉分析(FFT)，結(jié)果如圖7所示。圖7(a)是對系統(tǒng)A相輸出相電壓的分析結(jié)果，為18.41%，各次諧波含有率低，僅含有少量200次以上的高次諧波，經(jīng)過二階濾波模塊處理，如圖7(b)，為2.49%，除基波以外，其余次諧波基本濾除，逆變輸出效果良好，大大降低了大容量交流濾波裝置的需求，更容易滿足電磁兼容指標。

圖7 MMC輸出相電壓分析

圖8是對A相輸出線電流的分析結(jié)果，圖中數(shù)據(jù)顯示輸出電流諧波含量少，僅為0.93%。經(jīng)計算系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.951 1，較高的功率因數(shù)減少了換流器設(shè)備本身損耗，使負載電壓更加穩(wěn)定，改善了電能質(zhì)量。

圖8 MMC輸出線電流分析

5 結(jié)論

本文將MMC結(jié)構(gòu)應(yīng)用到高壓變頻器結(jié)構(gòu)中，建立了基于開關(guān)函數(shù)的數(shù)學模型，采用POD-PWM控制方法，提高等效開關(guān)頻率，減少開關(guān)損耗，提高變換裝置輸出電能質(zhì)量。通過仿真結(jié)果分析，驗證了模型及控制算法的有效性，被控子模塊電容電壓穩(wěn)定，輸出電壓畸變率低、諧波含量少。

[1]王琛琛，李永東.多電平變換器拓撲關(guān)系及新型拓撲[J].電工技術(shù)學報，2011，26(1):92-99.

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[4]崔俊國，陶生桂.一種五電平逆變器控制方法的研究[J].電氣傳動，2002，5:18-22.

[5]劉景芳，楊榮峰，高強，等.基于H橋級聯(lián)變流器的功率單元設(shè)計[J].電源學報，2011，7:53-55.

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[7]FRANQUELO LG,RODRIGUEZ J,LEON JI,etal.Age ofmulti-level converters arrives[J].IEEE Industrial Electronics Magazine,2008,2(2):28-39．

Topologicalstructure and control formodularmultilevel high voltage frequency converter

ZHENG Zheng,CUICan

The new type ofmodular conversion device has been gradually applied in high voltage and power situation. The fundamental concept of the modularmultilevel converter(MMC)was described.Through the analysis of the topologicalstructure and working mechanism of MMC,the MMC mathematicalmodelbased on sw itch function was built.On the basis,through carrier phase opposition disposition pulse w idth modulation(POD-PWM)and capacitor voltage balancing control based on sequencing method,the capacitor voltage of each submodular of the convertor was detected in real time and sequenced.Based on upper and lower bridge current direction of each phase,the operation of charging and discharging or bypass operation to submodulars was carried on to control the capacitor voltage balance.The simulationmodelwas builtunder Matlab-Simulink circumstance.The simulation results show that the controlstrategy is practicaland valid,realizing the expected goalof regular operation of the converter and the stability of capacitor voltage.

modularmultilevelconverter;switch function;voltage balancing control

TM 46

A

1002-087 X(2014)05-0943-04

2013-10-10

國家自然科學基金(61340015，51077125)

鄭征（1965—），女，河南省人，博士，教授，主要研究方向為電力電子與電氣傳動。