适用于模块化多电平换流器调制策略的比较性分析

刘英杰+宋吉江+李云婧+朱荣俊

摘 要：模块化多电平换流器（MMC）这种新型拓扑结构的出现极大地促进了柔性直流输电的发展，作为其关键技术之一的调制策略的选择至关重要。本文首先介绍了MMC的工作原理，其次对于两种常用的适于模块化多电平的调制策略进行详尽的分析，最后比较最近电平与载波移相调制策略的优缺点，为MMC调制策略的选择提供了理论依据。

关键字：MMC；最近电平逼近；载波移相

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.248

0 引言

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）作为一种级联型的变换器具有独特的结构和技术优势，其自身结构简单、高度模块化，扩容能力强，良好冗余性及较低的输出谐波等优点成为新一代柔性直流输电技术的核心设备。MMC调制策略是直接影响 MMC 性能的关键指标之一，其选择至关重要。目前，可用于 MMC 调制的策略主要有最近电平调制、载波移相脉宽调制、载波层叠脉宽调制、阶梯波调制、空间矢量脉宽调制等调制策略，其中较为广泛应用的是最近电平调制和载波移相脉宽调制[2-4]。

1 MMC的基本原理

MMC由具有相同结构的三个相单元组成，每相含有上、下两个桥臂， N个级联的子模块（SM）和一个电抗器串联而成构成一个桥臂单元，SM由两个IGBT、两个反并联二极管和一个电容器构成[1]。

MMC子模块共有三种工作模式，假设S1与S2分别表示两个IGBT的开关状态，定义S1=1表示高电平导通，S2=0表示低电平截止，S2的开关状态定义与S1相同。当S1=1且S2=0时，子模块处于投入模式，此时，根据子模块电流ism方向的不同可以充电，也可以放电；当S1=0且S2=1时，子模块处于切除模式，此时子模块被旁路，电容电压保持恒定，不充电也不放电；当S1=0且S2=0时，子模块处于闭锁模式，此时子模块的工作状态一般是子模块电容器在故障时被旁路，或者用在启动MMC时对子模块电容器预充电。

2 MMC的调制策略

2.1 最近电平逼近调制

最近电平逼近（Nearest Voltage Level Modulation，NLM）方法是近期研究较为常用的一种适用于MMC调制控制的方法。其基本原理是利用IGBT的开关状态决定子模块在上、下桥臂的投入个数，使在任意时刻子模块产生的方波叠加后能够瞬时逼近正弦调制波。NLM 方法用uS代表调制波，Uc代表子模块平均电压，θ代表电角度，取最接近调制波uS与Uc的比值的整数来决定换流器的输出电平数。下桥臂子模块个数的投入随调制波的升高而增加，为保证此相单元电压波形跟随调制波变化，上桥臂子模块的投入个数变化趋势与下桥臂相反。在某时刻，上、下桥臂投入子模块的个数分别为np 与nn，表达式如下

np=N/2-round（uS/Uc）

nn=N/2+round（uS/Uc） （1）

式中：round（）表示取最近整数。理论上，换流器使用最近电平逼近调制时，其输出的电压与调制波的电压之差应保持在（±Uc/2）之内，超出这个范围，NLM工作在过调制区，为使其处于正常工作区，需要将子模块数设定边界，即

0≤np，nn≤N （2）

得到任意時刻上下桥臂子模块投入个数后，依据桥臂的电流大小对各子模块进行电容电压排序以决定子模块的投入或切除状态，若上下桥臂的子模块投入的个数保持不变，则各个子模块投入或切除状态维持不变，若处于充电状态，则选择在排序之后较小电容电压的子模块；若处在放电状态，则选择在排序之后较大电容电压的子模块。为使换流器整体电压恒定，在上下桥臂投入的子模块数保持互补且总和为N。

2.2 载波移相脉宽调制

载波移相正弦脉宽调制（Carrier Phase Shift-PWM，CPS-PWM）的基本原理是对于N+1电平的模块化多电平换流器结构，采用N组幅值相等、频率相同的三角波为载波信号，使N个子模块上的每组调制波相位以此横向平移2π/N角度，将同一个调制波与N个三角波作比较，当调制波较大时，输出高电平，当载波较大时，输出低电平，以此得到N组PWM调制波触发脉冲，分别对应控制桥臂子模块以确定其投切状态。采用CPS-PWM时在任意时刻每个相单元的上、下桥臂子模块投入个数保持互补且总和为N，上、下桥臂的调制波应该反向并且在相位上相差2π/3，最后将所有子模块的PWM脉冲叠加形成MMC输出的等效多电平PWM波形。

3 优缺点

载波移相脉宽调制和最近电平逼近调制互有优势与不足，载波移相的主要优势是具有固定的开关频率，IGBT的开关损耗低，增加了子模块的冗余使用周期，在开关频率较低的情况下能够有效地消减谐波。其劣势在于无法选择运行模块，不容易实现冗余模块备用，存在相间环流。

最近电平逼近的优势主要是原理简单，易于实现，具有良好的动态性能，且当子模数较多时，输出谐波以低次谐波为主的劣势将逐渐消失，省去了交流滤波器，其劣势主要是由于开关频率的不确定性，导致阶梯波的基波赋值偏差与总谐波畸变率较大。

4 总结

本文详细分析了针对适用于MMC的最近电平逼近和载波移相两种调制策略的基本原理，并发现它们在应用过程中各自的优势与不足。载波移相法一般通过三角波与调制波相对比，产生控制每个换流器单元的PWM波，叠加波形后即可获得多电平电压波形，一般用在电平数比较少的场合。最近电平逼近的基本原理是利用最近的电平瞬间逼近调制波，换流器的电平数越高，误差越小，一般在电平较高的系统中应用。

参考文献：

[1]管敏渊，徐政，屠卿瑞等.模块化多电平换流器型直流输电的调制策略[J].电力系统自动化，2010，34（02）：48-52.

[2]康润生，张锐，位锋威等.基于NLM策略的模块化多电平换流器研究[J].测控技术，2016，35（09）：70-74.

[3]张冀川.模块化多电平换流器调制策略研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[4]涂小刚，李海峰，刘崇茹等.模块化多电平换流器调制策略对比[J].中国电力，2014，47（02）：48-57.