模块化多电平换流器（MMC）调制方法综述

模块化多电平换流器(MMC)调制方法综述王蕊;王斌;万杰星【摘要】介绍了模块化多电平换流器(MMC)的拓扑和工作原理，分类别详叙了各种调制方法。总结了不同调制技术的优缺点和应用场合，为MMC的工程应用提供了借鉴意义。提出了MMC调制技术的改进方向，对进一步的研究探索有积极意义。【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷)，期】2017(000)008【总页数】5页(P43-47)【关键词】模块化多电平换流器;调制技术;载波移相调制法;载波层叠调制;最近电平逼近调制;多电平SVPWM;特定次谐波消除脉宽调制【作者】王蕊;王斌;万杰星【作者单位】［1］东南大学电气工程学院，江苏南京210096;［2］中航宝胜海洋工程电缆有限公司，江苏南京225100【正文语种】中文【中图分类】TM46随着全球能源互联网和柔性交流输电系统(FlexibleAlternativeCurrentTransmissionSystems,FACTS)的发展，模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)越来越得到科研工作者的关注和研究。MMC以其高度模块化、容易拓展和输出性能好等特点，应用越来越广泛,应用领域已逐步从传统的高压直流(High-VoltageDC,HVDC)输电应用向中高压电力传动、电能质量治理、高压直流功率变换等领域拓展，并已获得了初步的研究成果，展现出良好的应用前景［1］。对于MMC的研究也逐渐展示出多元化的特点，关键技术包括MMC调制技术、直流电压稳定技术、环流分析及抑制方法、谐波分析及抑制技术、故障情况下的穿越能力等。本文选取MMC的调制技术作为重点，对近年来的研究情况进行梳理和总结，为MMC的工程应用提供借鉴，具有重要的理论价值和现实指导意义。MMC工作时的拓扑结构如图1所示。其中Ls为网侧电感,Rs为网侧内阻,Ns为交流中性电位参考点,MMC每相上下桥臂各包含N个子模块。拓扑中每一个功率单元子模块(SubModule,SM)可是半桥或全桥结构，如图2所示。本文只讨论半桥结构,文中的MMC若无特殊说明，均指半桥结构。MMC每个子模块根据VT1和VT2的开关状态可分为闭锁、投入、切除3种运行状态。MMC子模块开关状态如表1所示。由表1可见,通过控制开关VT1和VT2的通断即可控制MMC每个子模块的的输出电压而MMC整体上每个桥臂电压都可以看成是每个子模块电压USM的串联。因此，通过控制子模块的投入或切除来控制桥臂电压，进而控制图1中a、b、c点电压使得MMC的交流输出电压逼近所期望的指令电压。从根本上说,MMC是由多个电平台阶来合成阶梯波,以逼近指令波，电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶就越多，从而越接近所期望的指令波。MMC调制的作用就是依据等面积法则，通过一系列的开关脉冲，即一系列电容电压Udc的叠加来等效指令波的值,其直接影响着MMC的输出性能、谐波性能、开关频率的高低和开关损耗的大小。由于实际应用中MMC的电平数通常较多，因此使用较多的调制技术是载波移相PWM调制法(CarrierPhaseShiftedSPWM,CPS-SPWM)和载波层叠PWM调制法(PhaseDispositionPWM,PDPWM)［2］,另外常见的调制方法还有最近电平逼近调制(NearestLevelModulation,NLM)、多电平SVPWM、特定次谐波消除脉宽调制(SelectiveHarmonicEliminationPWM,SHEPWM)等。本文从基于阶梯波、基于空间矢量和基于载波的角度进行了总结归纳、分类。MMC调制技术分类如图3所示。CPS-SPWM调制技术CPS-SPWM调制方法的基本原理:每个桥臂中的N个子模块的调制波相同，采用三角载波相差2n/N相位角从而产生出N组PWM脉冲信号，分别驱动N个子模块单元。将各子模块输出电压USM相叠加，即得到MMC桥臂的输出电压波形。子模块1的三角载波和正弦调制波的比较得到子模块1中的VT1和VT2的开关信号。子模块控制信号的产生如图4所示。子模块2则将图4中子模块1的三角载波平移角度2n/N作为子模块2的载波，与图4中子模块1相同的正弦调制波进行比较，得到子模块2中的两个IGBT的开关信号，以此类推。采用此调制方法的N个子模块输出电压为单个子模块的N倍，相当于输出电压脉动频率是开关频率的N倍，因此该技术能等效提高开关频率，具有良好的谐波特性［3］。此外，文献［4］对MMC的损耗一致性进行了分析,并指出CPS-SPWM调制方法比NLM调制方式的子模块损耗一致性更高，也是CPS-SPWM调制方式的一大优点。PDPWM调制技术PDPWM调制方法具体分为3种，分别是载波同相层叠式(PhaseDisposition,。)、正负反相层叠式和交替反相层叠式。3者相比，载波同相层叠式(PDPWM)的谐波性能最好［5］,本文主要讨论这种调制方法。文献［6］提出的三角波层叠PWM调制方式，指出对于每个桥臂中的N个子模块，采用N个幅值相同、频率相同的三角载波，进行上下层叠之后与同一调制波进行比较，在采样时刻的比较结果即决定了相应子模块的开关状态。该调制方式的载波层叠调制示意图如图5所示（调制波正弦波为例）。该方法适用于电平数较少的场合,缺点是此方法是一种高频调制方式，开关损耗比较高［7］。文献［2］提出一种单载波PDPWM调制技术，结合了脉冲循环分配的单载波PDPWM,能使各开关器件的开关频率近似均等而不需要给每个模块提供独立的比较单元，因此硬件开销要小得多。该方法与传统PDPWM和CPS-SPWM相比，所需的硬件单元显著减少具有一定的工程实用性。2.3NLM调制技术文献［8］提出了一种NLM调制方法,其控制思想比较简单。将所期望的调制电压除以单个子模块电容电压，然后取整作为最终投入的子模块个数，即用子模块电压的叠加来最大可能地逼近调制波，进而得到所有子模块的PWM脉冲。由此原理可知，逼近的误差不超过子模块电容电压的一半。以正弦波作为调制波时的NLM调制原理如图6所示。使用NLM调制方法的MMC能在较大的工作范围内逼近调制波，并且输出电压的谐波含量很少［9］。NLM调制技术也有一些缺点，如对直流电容电压的平衡控制要求很高，动态跟踪性能较差，且开关次数的多少与电容电压平衡有关，开关损耗可能会较大。2.4多电平SVPWM调制技术多电平SVPWM调制方法是传统两电平SVPWM调制技术在多电平换流器中的扩展基本原理也与之类似，且在诸多文献中已经有所提及［5,10］。多电平SVPWM调制方法的突出特点是直流电压利用率高。文献［11-14］分别在三电平和五电平MMC上应用了多电平SVPWM调制技术，此时MMC的电平数较低。由于多电平SVPWM调制技术的空间矢量个数等于MMC电平数的立方，当MMC的电平数增加时，空间矢量个数急剧上升，导致计算过程和控制算法变得异常复杂。因此，多电平SVPWM目前比较适合于MMC子模块数较少的情况,而很难扩展应用到更高电平数的MMC。文献［15］把参考电压矢量分解为偏移矢量和两电平矢量从而将多电平SVPWM转换为两电平SVPWM。该算法简单快速,且对于任何电平数都通用。2.5SHEPWM调制技术SHEPWM调制方法的基本原理:以消除输出电压波形中某些特定低次谐波为目的，根据欲消除的某次谐波分量为零，列出关系式，从而计算出MMC各子模块的触发角度［16］。根据此原理,SHEPWM调制技术的波形总谐波畸变率很小。另外SHEPWM调制技术具有降低开关频率、减小开关损耗和提高直流电压利用率［17］ 的优点，但随着MMC电平数增加，对应非线性超越方程组的阶数迅速增加，从而使运算时间大大加长,动态性能变差，因此该技术适用于MMC电平数不太多的场合［18］ 。MMC电平数较高时，可采用离线计算,直接查表求得开关器件的触发角度［5］。除了以上主流的调制方法，还有一些新颖独特的MMC调制方法。文献［19］提出了MMC的快速PWM策略，该方法先得到MMC各桥臂在一个PWM周期T内的平均开关状态Sp,再根据伏秒等效原则，将其等效成不同时长的Spl与Sph的叠加。其中,Spl是Sp向下取整的电平,Sph是Sp向上取整的电平。Spl持续的时间为tl,Sph持续的时间为th,且满足Spltl+Sphth=SpT,tl+th=T。MMC电平数较高时,该策略具有简单快速、占用硬件资源少等优点,但该调制方法谐波性能较差。文献［20］提出了具有基频开关特性的不对称方波调制策略,可以降低导通开关的开关频率和稳态损耗。同时，还提出了改进载波相移调制技术，只需要算出投入的子模块数量，不需要产生所有子模块的触发脉冲,是否触发特定子模块是由子模块电容电压均衡策略确定的,缺点是这种改进载波相移调制技术只适用于整形电路。3.1总结本文首先简要分析了MMC的工作原理，然后着重介绍了MMC的不同调制方法一一最常用的5种和一些其他非主流调制技术。结合以上不同调制技术的优缺点和应用场合。不同调制技术的优缺点及应用场合如表2所示。由表2可见,MMC的不同调制技术有着各自的特点和适用场合,在实际工程应用中,应根据MMC的电平数、开关损耗、谐波性能、可扩展性、直流稳压等具体要求，选取较为合适的调制策略。3.2展望MMC的调制策略本质上就是如何通过投入、切除子模块来使MMC输出的交流电压逼近调制波，根据图3的分类，分别提出一些改进的方向。针对于阶梯波调制方法，选取器件切换的开关角是实现的关键。可借助一些智能算法,如粒子群算法［25］、遗传算法等，以开关频率最低或输出波形谐波含量最少作为优化的目标函数，通过智能算法的寻优过程求得最佳开关角。针对SVPWM调制方法，其直流电压利用率很高应用中唯一缺点是在电平数高时的矢量个数太多造成的计算复杂。因此，可以通过采用分步策略和算法来简化矢量空间应用于MMC高电平的工况。文献［26］即在链式STATCOM中实现的SVPWM的简化。⑶图3中的调制方法各有优缺点，为了结合所有的优点,把这几种调制技术进行适当结合也不失为一个研究方向。本文在介绍MMC拓扑和工作原理的基础上，对于MMC的调制技术进行了综述。着重介绍了最为常用的CPS-SPWM、PDPWM、NLM、多电平SVPWM和SHEPWM5种调试方法，并分别总结了各自的优缺点和适用场合，为工程应用中MMC调制技术的选择提供了借鉴意义。本文最后还指出了MMC调制技术的未来研究方向，以供进一步探究。【相关文献】［1］ 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