用于高壓異步配電網(wǎng)互聯(lián)的模塊化多電平調(diào)制策略研究

章立 殷洪海 饒睿

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇常州 213000；2.南京理工大學(xué)，江蘇南京 210094）

0 引言

區(qū)別于傳統(tǒng)的電壓源換流器，模塊化多電平變流器（Modular Multilevel Converter，MMC）因具有高度模塊化、良好的子模塊故障冗余能力、開(kāi)關(guān)管損耗低等特點(diǎn)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電、高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域[1-2]。對(duì)于高壓配電網(wǎng)中的異步電網(wǎng)互聯(lián)[3-4]，使用MMC 同樣具有很好的工程價(jià)值，但高壓配電網(wǎng)中MMC單元使用較少[5]，調(diào)制策略的選擇尤為關(guān)鍵，目前尚缺少相關(guān)的對(duì)比分析研究。

1 MMC 工作原理

圖1為三相MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的工況需求，常見(jiàn)的多電平變流器拓?fù)溥€有單相半橋式和單相全橋式。三相MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由3個(gè)相單元組成，每相由上下兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由n個(gè)子模塊（SM）和橋臂電感（Larm）構(gòu)成，圖1中子模塊為常見(jiàn)的半橋型子模塊。Udc表示MMC 的直流側(cè)電壓；uix表示第x相的i橋臂的橋臂電壓，其中i=u或l，u表示上橋臂，l表示下橋臂，x=a、b或c，a、b、c分別表示A、B、C 相；iix表示流過(guò)第x相的i橋臂的橋臂電流；ux表示第x相的交流側(cè)相電壓；ix表示第x相的交流側(cè)相電流；O表示零點(diǎn)位參考點(diǎn)。

MMC 由許多子模塊構(gòu)成，這些子模塊的結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定和影響了MMC 的工作狀態(tài)。半橋型子模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可實(shí)現(xiàn)功能完整，是目前MMC 使用最頻繁的一種結(jié)構(gòu)。如圖1所示，半橋型子模塊主要由兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件S1和S2、兩個(gè)反并聯(lián)二極管D1和D2、一個(gè)電容CSM組成。iSM表示流入子模塊的電流，與橋臂電流相等，方向以流入為正；uSM表示子模塊端口電壓。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)可以控制子模塊的工作狀態(tài)，具體工作狀態(tài)如表1所示。

表1 半橋型子模塊SM工作狀態(tài)

圖1 模塊化多電平變流器（MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）閉鎖狀態(tài)：當(dāng)開(kāi)關(guān)器件S1、S2都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電流只通過(guò)流經(jīng)二極管D1或D2和子模塊電容CSM形成回路，根據(jù)流入子模塊電流iSM的方向，來(lái)決定是D1還是D2導(dǎo)通。當(dāng)iSM＞0時(shí)，D1和CSM形成回路，開(kāi)始給子模塊電容CSM充電，子模塊電壓uSM與子模塊電容電壓uC相等；當(dāng)iSM＜0時(shí)，電流iSM流過(guò)D2形成回路，子模塊電容CSM未接入到電路中，此時(shí)子模塊電壓uSM為零。閉鎖狀態(tài)一般用于MMC系統(tǒng)的啟動(dòng)或者故障診斷。

（2）投入狀態(tài)：當(dāng)開(kāi)關(guān)器件S1開(kāi)通而S2關(guān)斷時(shí)，根據(jù)iSM的方向來(lái)判斷是開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通還是二極管D1導(dǎo)通。當(dāng)iSM＞0時(shí)，電流流過(guò)D1和CSM形成回路并對(duì)子模塊電容進(jìn)行充電；而當(dāng)iSM＜0時(shí)，因?yàn)镾1的連接方式，電流流經(jīng)S1形成回路，此時(shí)子模塊電容CSM放電，且放電電壓為子模塊電容電壓uC，即子模塊工作在投入方式時(shí)，無(wú)論流入子模塊的電流方向如何，子模塊端口電壓總等于子模塊電容電壓。

（3）旁路狀態(tài)：當(dāng)開(kāi)關(guān)器件S1關(guān)斷而S2開(kāi)通時(shí)，二極管D2承受的電壓方向與導(dǎo)通方向相反，因此無(wú)論iSM方向?yàn)楹?，D2都保持截止?fàn)顟B(tài)，而iSM的方向決定了是S2還是D2形成回路。當(dāng)iSM＞0時(shí)，電流流過(guò)S2；當(dāng)iSM＜0時(shí)，電流流過(guò)續(xù)流二極管D2。在旁路狀態(tài)下，無(wú)論iSM方向如何，子模塊電容CSM均被切除出電路，此時(shí)子模塊電壓uSM為零。

由上面對(duì)子模塊開(kāi)關(guān)狀態(tài)的分析可知，子模塊的輸出為0電平或子模塊電容電壓uC，而實(shí)現(xiàn)電平的控制，主要根據(jù)當(dāng)前流入子模塊的電流的方向以及開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此如何根據(jù)實(shí)際工況的需要來(lái)得到子模塊開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)脈沖對(duì)于MMC 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輸出十分重要。

2 調(diào)制策略

調(diào)制策略用于控制MMC中的開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出波形逼近調(diào)制波，不同的調(diào)制方法對(duì)于MMC的輸出電壓諧波、電容電壓波動(dòng)等方面有不同程度的影響。常見(jiàn)的調(diào)制方法根據(jù)MMC中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率可以分為兩類：高開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制和基波開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制。MMC因其具有良好的拓展性、冗余性等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始逐漸應(yīng)用于低頻驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。目前，MMC大規(guī)模應(yīng)用于低頻場(chǎng)合的瓶頸是低頻運(yùn)行時(shí)MMC中的子模塊電容容易產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而合適的調(diào)制方法和控制方法能很好地規(guī)避MMC低頻運(yùn)行時(shí)的缺點(diǎn)，因此選用合適的調(diào)制方法再進(jìn)行優(yōu)化控制能很好地適用于低頻場(chǎng)合，有必要確定常用調(diào)制方法中最適合低頻工況的調(diào)制方法。

載波移相PWM調(diào)制（Carrier Phase-Shift PWM，CPSPWM）的基本思想是將目標(biāo)輸出的調(diào)制波與三角載波進(jìn)行比較得到上下橋臂子模塊開(kāi)關(guān)管的脈沖，三角載波的幅值和頻率相等，相位相差2π/n，比較得到的脈沖根據(jù)平衡和均壓控制策略等分配給不同的子模塊，再疊加不同子模塊的輸出得到橋臂輸出電壓波形。若想要輸出電壓波形盡可能逼近正弦波，則需要增加子模塊數(shù)量和開(kāi)關(guān)管頻率，雖然輸出電壓諧波分量低，但是當(dāng)子模塊數(shù)量增大時(shí)會(huì)增加控制難度和精度，在實(shí)際的運(yùn)用中難以達(dá)到；同樣，因?yàn)槿禽d波之間的相位差為2π/n，當(dāng)相位差因子模塊增加而減小到較小值時(shí)，三角載波生成的難度也會(huì)增加，精度也難以控制，最終影響整個(gè)MMC的正常工作。因此，子模塊數(shù)量較大時(shí)CPSPWM難以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，該調(diào)制方法一般應(yīng)用于子模塊數(shù)量少和低電壓等級(jí)場(chǎng)合；另外，CPSPWM調(diào)制方法頻繁的子模塊切換容易產(chǎn)生子模塊電容電壓波動(dòng)，子模塊電容的dv/dt較高，不適合應(yīng)用在低頻工況下。

最近電平逼近調(diào)制（Nearest Level Modulation，NLM）的基本思想是通過(guò)控制子模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷盡可能擬合調(diào)制波。區(qū)別于CPSPWM 是三角載波與調(diào)制波比較，NLM 是利用函數(shù)求解子模塊開(kāi)關(guān)狀態(tài)，函數(shù)表達(dá)形式不同但基本思想都是取整函數(shù)，設(shè)上橋臂子模塊導(dǎo)通的數(shù)量為nu_on，下橋臂子模塊導(dǎo)通數(shù)量為nl_on，根據(jù)擬合的思想和取整函數(shù)，可以得到上下橋臂子模塊導(dǎo)通數(shù)量的表達(dá)式為：

這種調(diào)整方法因其使用取整函數(shù)而具有良好的動(dòng)態(tài)性能，但取整函數(shù)得到的是子模塊導(dǎo)通數(shù)量，在實(shí)際應(yīng)用中為了保持MMC 運(yùn)行的穩(wěn)定性，一般還需要增加平衡方法來(lái)確定子模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也因此NLM 更適合子模塊數(shù)量多和輸出電平較多的場(chǎng)合。

由上面對(duì)兩種調(diào)制方法的分析可知，兩種調(diào)制方法各有優(yōu)劣，能在不同的工況下發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。相較于NLM 調(diào)制方法，CPSPWM 調(diào)制方法更適合應(yīng)用在低頻工況下。

3 仿真分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明載波移相調(diào)制和最近電平調(diào)制方法的特點(diǎn)，在MATLAB/Simulink中搭建MMC 模型，并根據(jù)CPSPWM 調(diào)制方法和NLM 調(diào)制方法搭建對(duì)應(yīng)的模型。下面對(duì)這兩種常見(jiàn)的調(diào)制方法進(jìn)行仿真對(duì)比分析，為了清晰地表現(xiàn)CPSPWM 和NLM 調(diào)制方法的特點(diǎn)，在保證輸出電壓頻率相同的工況下，CPSPWM 調(diào)制方法下單個(gè)子模塊的三角載波頻率設(shè)置為n·f，因此CPSPWM調(diào)制方法子模塊的等效輸出電壓頻率與NLM 調(diào)制方法的等效輸出電壓頻率相同。MMC 仿真參數(shù)如表2所示。

表2 MMC仿真參數(shù)

根據(jù)表2的仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，可得如圖2所示的仿真結(jié)果。

根據(jù)圖2仿真結(jié)果可以清晰地發(fā)現(xiàn)兩種調(diào)制方法的特點(diǎn)：CPSPWM 調(diào)制方法因?yàn)榈刃ч_(kāi)關(guān)頻率更高，橋臂輸出電壓波形比NLM 調(diào)制方法產(chǎn)生的電壓波形表現(xiàn)得更為密集，這也導(dǎo)致CPSPWM 調(diào)制方法在較多子模塊時(shí)或者較高電壓等級(jí)時(shí)控制子模塊開(kāi)關(guān)比NLM 調(diào)制方法更為頻繁，從而帶來(lái)了更多的開(kāi)關(guān)損耗；CPSPWM需要控制數(shù)量較多的載波與調(diào)制波進(jìn)行對(duì)比，頻繁地開(kāi)關(guān)子模塊也會(huì)帶來(lái)子模塊電容電壓的波動(dòng)、橋臂間環(huán)流的出現(xiàn)等一系列問(wèn)題。

圖3展示了當(dāng)上下橋臂中只包含3個(gè)子模塊時(shí)子模塊電容電壓的波動(dòng)程度，NLM 調(diào)制方法下子模塊電容電壓逐漸失穩(wěn)，橋臂內(nèi)也因此容易產(chǎn)生環(huán)流等一系列問(wèn)題，最終影響MMC 正常工作，由此可見(jiàn)，NLM 調(diào)制方法不適用于子模塊數(shù)量較少的場(chǎng)合。

圖3 橋臂子模塊2n為6時(shí)仿真波形

通過(guò)上面的分析可知，CPSPWM 調(diào)制方法和NLM調(diào)制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。CPSPWM調(diào)制方法因其通過(guò)每個(gè)子模塊進(jìn)行載波和調(diào)制波對(duì)比而擁有較高的開(kāi)關(guān)頻率，容易帶來(lái)較大的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中高載波頻率時(shí)一般難以實(shí)現(xiàn)足夠的精度要求，因此CPSPWM 調(diào)制方法更適合在中低壓和電平數(shù)量少的場(chǎng)合應(yīng)用。NLM 調(diào)制方法的控制相較于CPSPWM 要簡(jiǎn)單，由上面的仿真可知，當(dāng)子模塊數(shù)量較少時(shí)，子模塊電容電壓波動(dòng)增加，同時(shí)輸出波形質(zhì)量下降，而當(dāng)子模塊數(shù)量增加時(shí)，輸出波形的諧波逐漸下降；另外，通過(guò)合適的電容電壓排序算法能很好地優(yōu)化子模塊開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)一步降低子模塊開(kāi)關(guān)頻率，因此，NLM 調(diào)制方法更適合中高壓和多電平場(chǎng)合應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)MMC 的基本工作原理和常見(jiàn)調(diào)制方法進(jìn)行了研究，分析了CPSPWM調(diào)制方法和NLM 調(diào)制方法的基本原理，對(duì)比了兩種調(diào)制方法的異同及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了兩種調(diào)制方法適用的場(chǎng)合，發(fā)現(xiàn)CPSPWM更適用于子模塊數(shù)量少的低頻場(chǎng)合，而NLM更適用于子模塊數(shù)量多的中頻場(chǎng)合，因此常規(guī)調(diào)制方法中CPSPWM更適合在中低頻場(chǎng)合應(yīng)用。