模塊化多電平變換器模型簡化及電容電壓控制研究

劉萬勛 劉永民 邵紅博 苗福豐

摘 要：模塊化多電平變換器作為新一代適用于高電壓大功率拓撲，能有效克服傳統兩電平變換器高諧波、高損耗、波形質量差等缺點，在工業及輸電領域得到廣泛應用。模塊化多電平變換器的多橋臂多子模塊結構直接導致建模困難、數學模型復雜和電容電壓的平衡問題。本文針對當前數學模型的復雜性進行研究，構建適合穩定分析的簡化模型，同時提出一種新的電容電壓平衡方法。仿真驗證了所提出的電壓平衡法的有效性和數學模型的正確性。

關鍵詞：模塊化多電平;電壓平衡;仿真

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0133-03

Abstract： Modular multilevel converter， as an emerging topology of high-voltage high-power applications， can effectively overcome the shortcomings of traditional two-level converters， such as high harmonic， high loss， poor waveform quality and so on， which has been widely used in industry and transmission fields. The multi-arm multi-sub-module structure of modular multi-level converter directly leads to the difficulty to model itself， as well as the complexity of mathematical model and the balance of capacitor voltage. Aiming at the complexity of the current mathematical model， a simplified model suitable for stability analysis was constructed， and a new method of capacitor voltage balance was proposed. The validity of the proposed voltage balance method and the correctness of the mathematical model were verified by simulation.

Keywords： modular multilevel;voltage balance; simulation

多電平變換器主要包括二級管鉗位型、飛跨電容型和級聯多電平型，但以上多電平變換器依次具有開關管損耗分布不均、電容電壓平衡困難、不便于功率擴展等缺點[1，2]。而模塊化多電平變換器以其模塊化、功率易于擴展、冗余性好、輸出波形質量高等諸多優點被公認為最具前景的多電平拓撲結構，已被成功應用于電力機車牽引、中高壓輸電網補償控制、柔性交流輸電及柔性直流輸電等領域[3-5]。

1 簡化數學模型

鑒于當前模塊化多電平變換器數學模型的復雜性，為適應穩態問題分析的要求，本文從功率流動的角度把模塊化多電平數學模型簡化為相互耦合的直流環節和交流環節，直觀地描述能量轉化方式。相應地，系統的控制結構也可分成反映功率流的輸入/輸出控制，以及反映內部功率平衡的電容電壓平衡控制。

按照模塊化多電平結構并對公式做適當處理得到：

本文對傳統電容電壓平衡方法進行改進，調制基于相移CPSPWM方法，無需對橋臂內所有子模塊電壓進行平衡控制。改進平衡方法，通過算法挑選電壓最高和最低的子模塊，通過調制信號修正，達到高電壓子模塊電壓降低和低電壓模塊電壓下降效果，修正的調制信號如下：

式中，[Δd]為補償信號。式（9）右邊的直流分量對應模塊化多電平變換器的輸入、輸出功率，兩項大小相等符號相反，在一個橋臂中相互抵消，右邊第三項直流分量是改進平衡方法中實際的功率修正量。

3 仿真驗證

仿真根據本文建立的簡化模型和改進的電容電壓平衡方法進行。主要參數如表1。仿真結果見圖1。

圖1表明，在加入橋臂內電容電壓平衡控制前后，上橋臂子模塊電容電壓從有明顯偏差到快速收斂的過程。從左圖圓圈處局部放大圖可以看出，為兩個互補的非零補償量，從而避免了對橋臂電壓的影響。

4 結語

本文通過建立模塊化多電平變流器簡化數學模型，更加形象地說明功率的轉化方式，便于穩態分析。此外，改進了電容電壓平衡方法。該方法無需對所有電容電壓排序，降低了計算量，提高了系統的響應速度。

參考文獻：

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