基于直接调制的模块化多电平变换器（MMC）环流抑制方法研究

刘万勋 毛玉宾 刘永民 刘军会

摘 要：本文提出了一种基于直接调制的模块化多电平变换器（MMC）二次环流抑制方法，通过对电容电压纹波的预测，达到与间接调制抑制循环电流相同的结果。该方法的控制系统简单，对硬件要求低，且简化了循环电流抑制的控制方案。

关键词：模块化多电平变换器（MMC）;循环电流;直接调制

中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）28-0143-03

Abstract： In this paper， a method of suppressing the secondary circulating current of modular multilevel converter （MMC） based on direct modulation was proposed. By predicting the voltage ripple of capacitor， the result was the same as that of suppressing the circulating current by indirect modulation. The control system of this method was simple， the hardware requirements were low， and the control scheme of circulating current suppression was simplified.

Keywords： modular multilevel converters;circulating current;direct modulation

2003年，R.Marquardt和A.Lesnicar提出了模塊化多电平变换器（MMC）的概念，并介绍了这种变换器的基本工作原理[1]。模块化多电平具有模块化、便于拓展、冗余实现简单、波形质量好等优点，在柔性直流输电、无功补偿、谐波抑制、柔性直流输电及新能源并网等领域得到广泛应用[2，3]。循环电流仅仅在变换器内流动[4]，主要以二次环流为主，不影响输入、输出波形质量，但增加了功率器件的电流应力，无论在学术还是在应用中都以二次环流抑制为研究目的。目前，多数研究基本上以间接调制为基础抑制二次环流。本文基于直接调制实现二次环流抑制的目的。

1 交直流解耦模型

模块化多电主电路拓扑如图1所示。首先对MMC系统进行建模，基于以下条件建立数学模型：子模块参数相同、子模块电容电压平衡、不考虑载波频率高频分量影响、不考虑桥臂缓冲电感的损耗。

根据MMC个工作原理得到以下关系，

式（1）至式（3）即为MMC外部输入输出特性和内部电压特性的系统方程，实现了直流和交流的解耦。

2 直接调制下的循环电流抑制

间接调制直接把电容电压实际值作为反馈量，具有抑制二次循环电流的能力。由于直接调制把电容电压作为常数考虑，直接导致二次环流的产生。基于此，如果预测电容电压脉动值，并叠加到电容电压常数上，则直接调制与间接调制效果相当。因此，为抑制二次循环电流，电容电压纹波需要被计算。

3 试验结果

试验联合高校样机装置，数学模型和二次循环电流抑制方法都采用本文所述方法。控制板由主流DSP及FPGA组成。试验参数如表1所示。

图2显示了上、下桥臂的电容电压试验波形。在t1秒前，仅仅使用直接调制;t1秒后，电容电压的纹波预测计算值被考虑，可以看出二次循环电流明显减少。

图3表示上、下桥臂电流、二次循环电流的试验波形。t1秒后，二次循环电流明显减少。

4 结论

本文推导给出了MMC系统交直流解耦的数学模型，提出了直接调制下二次循环电流抑制的方法，有助于深入理解MMC工作原理，并简化了循环电流抑制的控制方案。

参考文献：

[1] Lesnicar A，Marquardt R. An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range[C]// Power Tech Conference Proceedings， 2003 IEEE Bologna. IEEE， 2004.

[2]杨晓峰，郑琼林，薛尧，等.模块化多电平换流器的拓扑和工业应用综述[J].电网技术，2016（1）：1-10.

[3]姚致清，于飞，赵倩，等.基于模块化多电平换流器的大型光伏并网系统仿真研究[J].中国电机工程学报，2013（36）：27-33.

[4]周月宾，江道灼，郭捷，等.模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析[J].中国电机工程学报，2012（24）：8-14.