模塊化多電平變換器模型簡(jiǎn)化及電容電壓控制研究

劉萬(wàn)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?fù)?，能有效克服傳統(tǒng)兩電平變換器高諧波、高損耗、波形質(zhì)量差等缺點(diǎn)，在工業(yè)及輸電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。模塊化多電平變換器的多橋臂多子模塊結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致建模困難、數(shù)學(xué)模型復(fù)雜和電容電壓的平衡問(wèn)題。本文針對(duì)當(dāng)前數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性進(jìn)行研究，構(gòu)建適合穩(wěn)定分析的簡(jiǎn)化模型，同時(shí)提出一種新的電容電壓平衡方法。仿真驗(yàn)證了所提出的電壓平衡法的有效性和數(shù)學(xué)模型的正確性。

關(guān)鍵詞：模塊化多電平;電壓平衡;仿真

中圖分類號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jí)管鉗位型、飛跨電容型和級(jí)聯(lián)多電平型，但以上多電平變換器依次具有開(kāi)關(guān)管損耗分布不均、電容電壓平衡困難、不便于功率擴(kuò)展等缺點(diǎn)[1，2]。而模塊化多電平變換器以其模塊化、功率易于擴(kuò)展、冗余性好、輸出波形質(zhì)量高等諸多優(yōu)點(diǎn)被公認(rèn)為最具前景的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已被成功應(yīng)用于電力機(jī)車牽引、中高壓輸電網(wǎng)補(bǔ)償控制、柔性交流輸電及柔性直流輸電等領(lǐng)域[3-5]。

1 簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型

鑒于當(dāng)前模塊化多電平變換器數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性，為適應(yīng)穩(wěn)態(tài)問(wèn)題分析的要求，本文從功率流動(dòng)的角度把模塊化多電平數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為相互耦合的直流環(huán)節(jié)和交流環(huán)節(jié)，直觀地描述能量轉(zhuǎn)化方式。相應(yīng)地，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)也可分成反映功率流的輸入/輸出控制，以及反映內(nèi)部功率平衡的電容電壓平衡控制。

按照模塊化多電平結(jié)構(gòu)并對(duì)公式做適當(dāng)處理得到：

本文對(duì)傳統(tǒng)電容電壓平衡方法進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)制基于相移CPSPWM方法，無(wú)需對(duì)橋臂內(nèi)所有子模塊電壓進(jìn)行平衡控制。改進(jìn)平衡方法，通過(guò)算法挑選電壓最高和最低的子模塊，通過(guò)調(diào)制信號(hào)修正，達(dá)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(diào)制信號(hào)如下：

式中，[Δd]為補(bǔ)償信號(hào)。式（9）右邊的直流分量對(duì)應(yīng)模塊化多電平變換器的輸入、輸出功率，兩項(xiàng)大小相等符號(hào)相反，在一個(gè)橋臂中相互抵消，右邊第三項(xiàng)直流分量是改進(jìn)平衡方法中實(shí)際的功率修正量。

3 仿真驗(yàn)證

仿真根據(jù)本文建立的簡(jiǎn)化模型和改進(jìn)的電容電壓平衡方法進(jìn)行。主要參數(shù)如表1。仿真結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1表明，在加入橋臂內(nèi)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(guò)程。從左圖圓圈處局部放大圖可以看出，為兩個(gè)互補(bǔ)的非零補(bǔ)償量，從而避免了對(duì)橋臂電壓的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立模塊化多電平變流器簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，更加形象地說(shuō)明功率的轉(zhuǎn)化方式，便于穩(wěn)態(tài)分析。此外，改進(jìn)了電容電壓平衡方法。該方法無(wú)需對(duì)所有電容電壓排序，降低了計(jì)算量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

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