基于直接調制的模塊化多電平變換器（MMC）環流抑制方法研究

劉萬勛 毛玉賓 劉永民 劉軍會

摘 要：本文提出了一種基于直接調制的模塊化多電平變換器（MMC）二次環流抑制方法，通過對電容電壓紋波的預測，達到與間接調制抑制循環電流相同的結果。該方法的控制系統簡單，對硬件要求低，且簡化了循環電流抑制的控制方案。

關鍵詞：模塊化多電平變換器（MMC）;循環電流;直接調制

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）28-0143-03

Abstract： In this paper， a method of suppressing the secondary circulating current of modular multilevel converter （MMC） based on direct modulation was proposed. By predicting the voltage ripple of capacitor， the result was the same as that of suppressing the circulating current by indirect modulation. The control system of this method was simple， the hardware requirements were low， and the control scheme of circulating current suppression was simplified.

Keywords： modular multilevel converters;circulating current;direct modulation

2003年，R.Marquardt和A.Lesnicar提出了模塊化多電平變換器（MMC）的概念，并介紹了這種變換器的基本工作原理[1]。模塊化多電平具有模塊化、便于拓展、冗余實現簡單、波形質量好等優點，在柔性直流輸電、無功補償、諧波抑制、柔性直流輸電及新能源并網等領域得到廣泛應用[2，3]。循環電流僅僅在變換器內流動[4]，主要以二次環流為主，不影響輸入、輸出波形質量，但增加了功率器件的電流應力，無論在學術還是在應用中都以二次環流抑制為研究目的。目前，多數研究基本上以間接調制為基礎抑制二次環流。本文基于直接調制實現二次環流抑制的目的。

1 交直流解耦模型

模塊化多電主電路拓撲如圖1所示。首先對MMC系統進行建模，基于以下條件建立數學模型：子模塊參數相同、子模塊電容電壓平衡、不考慮載波頻率高頻分量影響、不考慮橋臂緩沖電感的損耗。

根據MMC個工作原理得到以下關系，

式（1）至式（3）即為MMC外部輸入輸出特性和內部電壓特性的系統方程，實現了直流和交流的解耦。

2 直接調制下的循環電流抑制

間接調制直接把電容電壓實際值作為反饋量，具有抑制二次循環電流的能力。由于直接調制把電容電壓作為常數考慮，直接導致二次環流的產生。基于此，如果預測電容電壓脈動值，并疊加到電容電壓常數上，則直接調制與間接調制效果相當。因此，為抑制二次循環電流，電容電壓紋波需要被計算。

3 試驗結果

試驗聯合高校樣機裝置，數學模型和二次循環電流抑制方法都采用本文所述方法。控制板由主流DSP及FPGA組成。試驗參數如表1所示。

圖2顯示了上、下橋臂的電容電壓試驗波形。在t1秒前，僅僅使用直接調制;t1秒后，電容電壓的紋波預測計算值被考慮，可以看出二次循環電流明顯減少。

圖3表示上、下橋臂電流、二次循環電流的試驗波形。t1秒后，二次循環電流明顯減少。

4 結論

本文推導給出了MMC系統交直流解耦的數學模型，提出了直接調制下二次循環電流抑制的方法，有助于深入理解MMC工作原理，并簡化了循環電流抑制的控制方案。

參考文獻：

[1] Lesnicar A，Marquardt R. An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range[C]// Power Tech Conference Proceedings， 2003 IEEE Bologna. IEEE， 2004.

[2]楊曉峰，鄭瓊林，薛堯，等.模塊化多電平換流器的拓撲和工業應用綜述[J].電網技術，2016（1）：1-10.

[3]姚致清，于飛，趙倩，等.基于模塊化多電平換流器的大型光伏并網系統仿真研究[J].中國電機工程學報，2013（36）：27-33.

[4]周月賓，江道灼，郭捷，等.模塊化多電平換流器子模塊電容電壓波動與內部環流分析[J].中國電機工程學報，2012（24）：8-14.