適用于MMC的最近電平與載波移相調制策略對比研究

鄧雪松 劉淼睿

摘 要 對應用于MMC-HVDC系統的最近電平、載波移相兩種調制策略的原理進行了分析。利用PSCAD仿真軟件，根據MMC的數學原理建立系統模型，研究了不通的調制算法的參數變化對系統的影響。通過改變電平數和頻率大小的參數，對系統輸出的諧波含量影響進行了對比，得到了不同調制策略中，輸出諧波大小均與電平數及頻率之間的關系，為系統應用的算法及參數選擇提供了參考依據。

關鍵詞 模塊化多電平換流器（MMC）;最近電平;載波移相

引言

在MMC的拓撲結構中，子模塊著串聯的越多，輸出的波形與正弦波的接近程度越高，因此諧波含量越低，無須額外的電感作為濾波器，因此，在柔直領域得到了廣泛關注。由于電平數增高后，系統的調制算法變得越來越復雜，對運算系統的要求更好。在實際工程中，根據不同調制策略的優缺點，選取不同的調制策略應用于不同電平數的MMC-HVDC系統[1]。

1MMC-HVDC的調制策略

當MMC系統的電平數的參數選擇很高時， 在考慮電容均壓的情況下，PWM調制方式的運算量激增，不適用于MMC-HVDC系統。因此，對于高電平數的MMC系統，多采用的調制方式分為兩種，一種是基于載波的PWM，另一種是排序法。目前，最近電平調制（NLM）和載波移相調制（CPS-PWM）應用得較多[2-6]。

1.1 最近電平調制策略

MMC換流器可輸出N+1個電平（N為子模塊數）0。當N較大時，普遍采用最近電平調制。可使得換流器輸出的電壓波形與正弦波更加相近，降低開關頻率，減小系統運算量。

設us（t）為MMC換流器輸出的交流電壓，子模塊電容電壓為。若MMC上、下橋臂分別有N個子模塊， 則任一時刻，MMC系統上、下橋臂投入的子模塊推導如下：

式（1）中，INT（x）表示交流電壓與電容電壓的比值取整。每個橋臂投入的子模塊個數與有關。輸出波形如圖1所示：

由于直流電壓與之間滿足：

在不考慮電容均壓的影響下， NLM的調制方法采用排序法，理論上調制頻率可以為基波頻率，因此，在電平數增加后，與PWM調制相比，調制頻率大大降低了。

1.2 載波移相調制策略

在多電平領域，多采用載波移相調制，其特點對于電平數很多的MMC-HVDC來說非常適合。CPS-PWM的優點在于，雖然實際頻率很低，但在系統中的等效開關頻率可以達到很高，原理如下：

若每組載波之間的移相角度θ與子模塊個數N之間滿足：

式中，N為每個橋臂的子模塊個數。本文用五電平的MMC換流器的一相作進行說明。每個橋臂的子模塊數為4個，4個三角載波之間的相角差為2π/4，4個載波分別與同一個正弦波比較，得到調制波如圖2所示。

圖2中，輸出電壓為子模塊電壓的N倍，相當于等效開關頻率為N倍，設FR的關系為

其中，代表系統的基波頻率，代表系統的載波頻率。

也就是說，采用CPS-SPWM可以等效實現更高的開關頻率。而高開關頻率帶來的是諧波含量的下降。

2仿真驗證

2.1 電平數與諧波關系影響仿真

NLM調制下，輸出電壓與 us（t）相差不超過±uc/2之內。當系統確定后，直流側電壓保持不變，電平數與uc為反比例關系，因此階梯波電壓與調制波的差值也就越小。

CPS-PWM調制下，開關頻率滿足關系式：

因此通過電平數越大，得到諧波含量更低的輸交流電壓的同時，等效開關頻率就越高，相當于變相降低了開關頻率。

利用PSCAD軟件對兩種調制策略進行了仿真。得到了電平數N與交流側階梯波電壓諧波含量之間的關系，如圖3所示

從圖3可以看出，在N較小時，兩種調制策略下諧波含量均在10%以上， NLM的THD更高一些，若改變電平數參數使其增大時，諧波含量開始下降。當增大到20后，NLM與CPS-PWM對應的諧波含量相比，差值減小。

2.2 開關頻率與諧波關系影響仿真

分別對兩種調制策略下輸出電壓諧波含量與頻率的關系進行仿真。

（1）除頻率參數外，在PSCAD中搭建仿真模型仿真結果如圖4所示。

圖4中，當開關頻率f的值在1000至 3000Hz的區間內時，隨著f的增加，諧波含量下降，且下降幅度明顯。當f大于3000后，諧波含量變化幅度很小，說明頻率對諧波的改善影響作用已不明顯。

（2）通過仿真得到CPS開關頻率與諧波之間的關系，得到仿真結果，如圖5所示。

從圖5可以看出，當f小于250Hz時，隨著f增大，諧波含量急劇下降;當f小于250Hz，隨著f增大，諧波含量變化很小。因此采用載波移相調制時，需選取合適的FR。

3結束語

從以上仿真結果可以看出，在最近電平和載波移相調制策略下，其諧波含量均與電平數及頻率有關。

隨著電平數N增大，諧波含量降低，但當電平數達到一定程度時，N的增加對THD的影響較小。

對于頻率參數的影響而言，在頻率較低時，開關頻率參數對諧波的影響更大，當頻率較高后，開關頻率參數的變化對諧波的影響迅速減弱。

參考文獻

[1]? 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，2016，40（1）：1-10.

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[5] 李笑倩，宋強，劉文華，等. 采用載波移相調制的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制[J]. 中國電機工程學報，2012（9）：49-55.

[6] 鄧雪松. 基于模塊化多電平的柔性直流輸電控制策略研究[D]. 成都：西南交通大學，2014.

作者簡介

鄧雪松（1988-），男，職稱：工程師，現就職單位：國網四川省電力公司樂山供電公司，研究方向：電力規劃與項目前期管理，柔性直流輸電控制策略。