模块化多电平高压变频器拓扑结构及其控制

郑征，崔灿

（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000）

模块化多电平高压变频器拓扑结构及其控制

郑征，崔灿

（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000）

新型的模块化变换装置在高压大功率场合逐渐得到应用，概述了模块化多电平换流器（modularmultilevel converter，MMC），通过分析MMC的拓扑结构及其工作机制，建立了基于开关函数的MMC数学模型，在此基础上采用载波正负反相层叠脉冲宽度调制技术（POD-PWM）及基于排序法的电容电压平衡控制，实时检测换流器各子模块电容电压并进行排序，根据每一相上、下桥臂电流方向，对子模块进行充电、放电或者旁路操作，达到控制电容电压平衡的目的。在Matlab-Simulink环境下搭建仿真模型，仿真结果表明该方法可行且有效，实现了换流器正常运行、电容电压稳定的预期目标。

模块化多电平换流器；开关函数；电压均衡控制

高压多电平交-直-交变频器的逆变电路拓扑主要有功率器件串联结构、二极管箝位型结构、飞跨电容型结构、单元串联级联结构[1]。二极管箝位型多电平结构，不利于实现高电平，易形成不平衡的电容电压[2]；飞跨电容型结构随着电平数量的增加，所需电容的个数剧增，存在飞跨电容电压不平衡问题[3-4]。级联型H桥变换器作为级联型高压变换器的代表，在冶金、矿山、造纸等行业得到应用，但是每个功率单元均需要独立的低压直流工作电源，因此需要由多绕组输出的移相变压器来提供独立电源，随着电平数增多，需要变压器副边绕组也越多，而多绕组变压器体积大，制造困难，成为制约其广泛应用的一个重要因素[5-6]。近些年，模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)受到广泛关注，它继承了H桥级联结构的优势，通过功率单元的级联实现多电平输出。每个功率单元由一个两电平桥臂构成，且所有的电容处于悬浮状态，由于存在公共直流母线，可采用单一直流电压而不需要多绕组变压器[7]，该换流器产生谐波少，开关损耗与畸变率低，在高压直流输电方向已有应用。

本文将MMC结构移植到高压变频器逆变电路中，建立换流器的开关函数模型，采用载波层叠调制技术，通过对各个子模块电容电压检测、排序、充放电来实现电容电压平衡控制，最后在Matlab-Simulink环境下建立模型进行仿真验证。

1 高压变频器中MMC拓扑结构

基于MMC的高压变频器，网侧和负载侧变流器形成背靠背的对称结构，如图1所示，整流和逆变部分均采用全控器件组成，网侧主要为负载侧提供高精度稳定直流电源，负载侧则为电动机提供高质量交流电源。该变频器功率因数高，节约能源，为“绿色电能变换器”。本文主要分析逆变单元工作机制及其控制策略。

MMC拓扑结构如图2所示，换流装置由A、B、C三相组成，每一相分为上、下两个桥臂，每个桥臂由个完全相同的子模块（sub-modular，SM）级联而成。每个桥臂子模块可以进行有选择的控制，从而可将其等效为一个可控理想电压源，作为逆变器使用时，通过控制每个桥臂子模块导通状态，就可以在输出端得到所需的正弦电压。该换流器结构简单，能够实现四象限运行，弥补了传统换流装置的一些不足，输出电能质量高。

图1 基于MMC变频器拓扑结构

图2 MMC拓扑结构示意图

子模块可分为上、下两个桥臂，共有6种工作模式，可分为闭锁、切出、投入3种工作状态，详情如表1所示。当系统出现故障时，子模块两个IGBT全部被关断，处于闭锁状态，正常工作时每个子模块都处于投入或者切出状态，如图3所示。

表1 SM子模块工作状态分类

图3 SM工作状态

2 基于开关函数的MMC数学模型

MMC系统采用相同子模块级联而成，所以三相运行状态完全相同，本文分析皆以A相为例。当系统的子模块投入运行时，子模块的输出电压为并联电容的电压值；切出时，子模块输出电压为0，由此可将桥臂子模块的数学模型用开关函数来表达：则用开关函数表示的子模块输出电压为：

根据式（2）可得桥臂电压为：

由式（3）、式（4）可得MMC系统A相输出电流、电压分别为：

3 排序法MMC电容电压平衡控制

目前MMC调制策略主要有阶梯波脉宽调制技术、消除特定次谐波调制、移相多载波调制技术、开关频率最优化、空间矢量PWM等，上述调制方法均有可能因开关频率过高而带来较大的损耗，使功率器件的开关频率潜能得不到充分发挥，尤其在多电平高压变换电路中，该问题尤为严重。本文采用载波层叠技术中的正负反向层叠PWM（POD-PWM）控制法，在消除电压谐波方面具有一定优势，同时通过提高等效开关频率，减小系统损耗，在子模块方面，采用排序法进行子模块电容电压平衡控制。

基于MMC结构的对称性，以A相上桥臂为例进行分析，并假设上桥臂子模块数目为。采用载波正负反向层叠法对MMC主电路进行控制，输出逆变电压，通过检测逆变输出电压，通过C语言程序判断桥臂需要导通的子模块数目（假设为个，0≤≤），同时通过测量获得个子模块的电容电压值以及桥臂电流方向。当电流为正时，对个电容电压值按照从小到大的顺序进行排列，给前个子模块发送开通信号，投入运行并进行充电，每个子模块输出电压值为，其余－个子模块发送关断信号，处于切除状态，每个子模块输出电压为0；当电流为负时，对个电容电压值按照从大到小的顺序进行排列，给前个子模块发送开通信号，投入运行并进行放电，每个子模块输出电压值为，其余－个子模块发送关断信号，处于切除状态，每个子模块输出电压为0，下桥臂控制原理相同。

电容电压的平衡控制，主要通过使用Matlab-Simulink仿真中Embedded Matlab Function模块、编写C语言程序实现算法预期控制效果，程序流程如图4所示。

图4 SM电容电压平衡控制算法流程

4 MMC仿真分析

首先，在Matlab-Simulink仿真环境下搭建三相七电平MMC逆变器模型，采用载波正负反向层叠法控制；然后采用快速傅里叶法对输出相电压进行分析，分析其谐波含量以及总谐波畸变率，以验证建立模型、控制策略的有效性，模型参数如表2所示。

表2 MMC仿真参数

图5为子模块电容电压波形。根据理论计算，子模块电容电压理想值应为直流母线电压d的1/，此模型中d=200 kV，=6，经计算电容电压值约为33.33 kV，仿真结果显示电容电压基本稳定在33.35 kV，与理论计算值相比，电压超出理论值的0.06%，十分接近，证明控制算法的可行性。观察放大后的波形，可以看出电压在33.35 kV上下波动，范围在0.33%左右，说明在电压平衡控制策略下电容电压达到了较好的稳定性。

图6为在Simulink下使用二阶滤波模块处理前后的相电压波形，由图6可以看出，经过滤波处理，输出电压即可达到较完美的正弦波。

图5 SM电容电压波形

图6 MMC相电压波形

为检验算法控制效果，利用Simulink内的电力图形用户界面对输出电压、电流进行快速傅里叶分析(FFT)，结果如图7所示。图7(a)是对系统A相输出相电压的分析结果，为18.41%，各次谐波含有率低，仅含有少量200次以上的高次谐波，经过二阶滤波模块处理，如图7(b)，为2.49%，除基波以外，其余次谐波基本滤除，逆变输出效果良好，大大降低了大容量交流滤波装置的需求，更容易满足电磁兼容指标。

图7 MMC输出相电压分析

图8是对A相输出线电流的分析结果，图中数据显示输出电流谐波含量少，仅为0.93%。经计算系统的功率因数为0.951 1，较高的功率因数减少了换流器设备本身损耗，使负载电压更加稳定，改善了电能质量。

图8 MMC输出线电流分析

5 结论

本文将MMC结构应用到高压变频器结构中，建立了基于开关函数的数学模型，采用POD-PWM控制方法，提高等效开关频率，减少开关损耗，提高变换装置输出电能质量。通过仿真结果分析，验证了模型及控制算法的有效性，被控子模块电容电压稳定，输出电压畸变率低、谐波含量少。

[1]王琛琛，李永东.多电平变换器拓扑关系及新型拓扑[J].电工技术学报，2011，26(1):92-99.

[2]陶生桂，杨超.二极管箝位式多电平逆变器PWM控制技术分析[J].电力电子技术，2005，39(5):8-10.

[3]KOU X,CORZINE K A,FAM ILIANT Y L.A unique fault tolerant design for flying capacitormulti-level inverter[J].IEEE Transactionson Power Electronics,2004,19(4):979-987.

[4]崔俊国，陶生桂.一种五电平逆变器控制方法的研究[J].电气传动，2002，5:18-22.

[5]刘景芳，杨荣峰，高强，等.基于H桥级联变流器的功率单元设计[J].电源学报，2011，7:53-55.

[6]刘昂，欧阳红林，禹卫华，等.H桥级联型多电平高压变频器的实验研究[J].电力电子技术，2009，43(2):1-2.

[7]FRANQUELO LG,RODRIGUEZ J,LEON JI,etal.Age ofmulti-level converters arrives[J].IEEE Industrial Electronics Magazine,2008,2(2):28-39．

Topologicalstructure and control formodularmultilevel high voltage frequency converter

ZHENG Zheng,CUICan

The new type ofmodular conversion device has been gradually applied in high voltage and power situation. The fundamental concept of the modularmultilevel converter(MMC)was described.Through the analysis of the topologicalstructure and working mechanism of MMC,the MMC mathematicalmodelbased on sw itch function was built.On the basis,through carrier phase opposition disposition pulse w idth modulation(POD-PWM)and capacitor voltage balancing control based on sequencing method,the capacitor voltage of each submodular of the convertor was detected in real time and sequenced.Based on upper and lower bridge current direction of each phase,the operation of charging and discharging or bypass operation to submodulars was carried on to control the capacitor voltage balance.The simulationmodelwas builtunder Matlab-Simulink circumstance.The simulation results show that the controlstrategy is practicaland valid,realizing the expected goalof regular operation of the converter and the stability of capacitor voltage.

modularmultilevelconverter;switch function;voltage balancing control

TM 46

A

1002-087 X(2014)05-0943-04

2013-10-10

国家自然科学基金(61340015，51077125)

郑征（1965—），女，河南省人，博士，教授，主要研究方向为电力电子与电气传动。