【《模块化多电平换流器分析的国内外文献综述》4000字（论文）】

模块化多电平换流器研究的国内外文献综述目录，模块化多电平换流器研究的国内外文献综述 11.1两电平逆变器的缺点 11.2多电平逆变器拓扑结构 11.3中高压应用背景 41.4低压应用背景 6参考文献 6自21世纪初，模块化多电平换流器的构想被推出到学术界，就成为了最近几十年电气领域的专家们研究的重点对象。因为MMC在电力领域的广泛运用，以及其灵活简单的控制，和较低的谐波次数，且不需换相电压，而且因其模块化的构造，能在同一时间对有功和无功进行调节这些诸多优点，使得MMC在无源网络供电的高压大功率场合中有着巨大的应用前景。而对于多电平逆变器的研究，也可以从基本的拓扑结构，和调制策略两方面的研究着手，相关内容会从下文逐步分段介绍。1.1两电平逆变器的缺点现如今虽低压直流电网逐步取代了交流电网的作用，但一部分如电机的设备，仍有交流电的需求，那么作为直流转交流的必要器具，逆变器既是不可忽略的一部分。两电平逆变器作为传统的逆变器其优势在于较为简单的结构以及其控制策略，但是简单的结构和控制策略也会带来一些不可避免的缺点。首先我们可以从两电平逆变器的开关动作来看，两电平逆变器的主要损耗来源。而是什么造成的两电平逆变器的高频开关动作，可以看到两电平逆变器通过IGBT来获得所需要的理想正弦波。而获得理想正弦波就得有高频的开关动作。它还会对轴承的使用寿命产生不利影响。原因是它在转子上感应轴电压。其次，输出电压谐波丰富。谐波分布广泛，包括高频谐波和低频谐波。即使经过滤波，输出电压和电流仍含有低频谐波，这将增加电机的功率损耗。输入侧并联电容过大，会造成系统短路电流过大的隐患。[1]1.2多电平逆变器拓扑结构由于在高压大功率的情况下两电平逆变器需要体积巨大的滤波器和储能电容器，这也使得两电平逆变器的效率和性价比的降低，所以对于如高压情况下的柔性直流输电，两电平逆变器就很少被使用了。与上述两电平逆变器相比多电平逆变器的优势就很明显，从谐波来看，多电平对谐波有较强的抑制，并且由于器件的增多，开关频率也会随之降低，同时器件间的应力也会很大程度降低。所以，多电平逆变器在高压直流领域得到了较为广泛的应用和研究。接下里介绍常用于电力系统无功补偿、高压电机变频调速以及高压直流输电中的几种多电平逆变器的拓扑结构。（1）二极管箝位型多电平逆变器[2]此类型逆变器利用二极管箝位特性对输出的电平数进行调整，这种逆变器可以根据实际的需求去选择所需的合适的功率模块，此类型多电平逆变器常应用于三电平和五电平的拓扑中。当期望输出更高的电平时控制算法就会变得十分复杂，而且随着电平数目的增多，用于箝位功能的二极管的数量也会随之增加导致成本增加，并且该拓扑不易于拓展，所以高压大功率的场合一般不会选择这种拓扑结构。图1-1二极管箝位型多电平逆变器（2）飞跨电容型多电平逆变器该电路的拓扑结构如图1-2所示，这种拓扑结构的原理类似于二极管钳位型变换器。电容器的作用是通过电容器将直流侧电容器分成若干大小不同的电压，从而输出几个不同的多电平。电容器的容量和耐压值是实现这种拓扑结构的关键。在高压大功率应用中，这种拓扑结构的控制也非常复杂，不易扩展，因此飞跃电容拓扑在工业中的应用很少。图1-2飞跨电容型多电平逆变器（3）T型3电平变换器这种拓扑还利用二极管的箝位功能来箝位直流侧的电容电压。与飞跃电容型和二极管箝位型相比，虽然使用了较少的二极管和功率开关器件，但这种拓扑的多级扩展变得非常困难，因此在高压和大功率应用中不会被选择。（4）模块化多电平逆变器（MMC）前文的几种多电平虽然都有各自的优势，但是在高压情况下都有不可弥补的劣势。所以，超高压应用中的模块化多电平变换器在这种环境中得到了越来越广泛的应用。拓扑结构如下图所示。德国的Marquardt教授于21世纪初提出关于模块化多电平逆变器的研究，在保证模块化多电平逆变器各子模块电容电压平衡的前提下，有效地控制了子模块中IGBT的开关状态。通过改变桥臂各相子模块的个数，然后叠加各子模块的输出，得到所需的波形。MMC得到的波形是一个阶梯波，然后拿阶梯波近似正弦波而不是采用PWM策略。普通MMC中的子模块一般分为两种构造：1是半桥子模块（Half-BridgeSM,HB-SM)，2是全桥型子模块（Full-BridgeSM,FB-SM)。因为半桥子模块其简单的控制原理，所以一般常用的都为半桥子模块结构。图1-3模块化多电平逆变器拓扑结构1.3中高压应用背景目前，在中高压背景下应用，模块化多电平逆变器的研究主要集中在四个方面：动态仿真试验、器件级触发控制、阀组级触发控制、工作机理和工程应用。高压直流和中压传动系统是MMC在中高压领域的应用。[1]①运行机理关于其运行机理主要集中在数学建模，参数设计，损耗，稳定性这四个重点去研究。首先是数学建模，需要明确的变量有子模块的电容电压和多个子模块的电容电压，其次是建模的方法的选取，有交直流解耦法，空间状态矢量法，开关函数法三种。采用开关函数法[4]的建模方法，在开关函数建模的基础上，完成子模块中各电量的分析，为交直流侧的谐波分析提供理论支持。虽然开关函数模型能够准确地描述变换器的工作状态，但其缺陷是明显的：非线性数学表达式中存在高阶方程。高阶方程的求解非常复杂，操作困难。参数值的选取对整个MMC系统是否能在最佳状态下工作都有很大的意义，而对于系统来说重要的选值有以下几点，主要包含有子模块数量、桥臂的电抗器和子模块的电容大小。从由开关函数[4]所构成的模型，得到了子模块电容电压、电流等重要电气量的解析表达式，为MMC参数设计提供了理论依据。或者将能量变化与子模块电容电压变化相结合[5]，得到电容参数的计算公式。如果比较好的话，可以考虑系统在正常工作状态和异常工作状态下电容值的限制，从而得到各个模块的电容计算规则。对于任何变换器来说，损耗都是关系到其性能优越性的重要指标。同时，这也是变频器设计的重要依据。利用数据表中提供的特性曲线，完成了所选功率器件特性参数的拟合。最后根据电流和电压波形计算损耗。②阀组触发控制要对这个进行了解，需要从两点去研究。第一点是触发信号的调制策略，通过调制策略能具体计算，能得知每相投入的子模块个数；第二点是电容电压的平衡策略，为了达成平衡，在确定了投入子模块个数的基础上，还需要计算出这些模块是如何动作的。载波层叠、载波移相、最近电平调制都是常见的调制策略。电容电压平衡策略与换流器的损耗有关，因为它与实际的开关频率有关。电容器电压排序不当会导致电力设备的一些不必要动作，造成能量损失。有学者提出了一种只适用于较多模块情况的电容电压均衡策略。该策略的思想是将所有电容器分组，在此基础上，结合元件平衡控制，完成所有电容器的电压平衡。然而，这种方法适用于较多模块的情况。能量的平衡主要分为两种情况去考虑，第一种，是在上下桥臂的能量的平衡，第二种是子模块中的电容电压平衡。有研究提出了一种电容电压均衡算法。该算法不仅能在变频条件下使子模块电容电压的波动保持在合理的范围内，而且在不增加开关损耗的前提下，使整个系统在调速过程中平稳运行。③装置级控制策略的研究对这方面的研究主要从三个层面展开，启动控制、外部特性控制和内部特性控制。启动控制，是指在模块化多电平变换器正常工作之前，对模块化多电平变换器各子模块中的电容进行预充电。优点是充电过程较安全，但因为辅助电源的缘故，制造成本有所提高。外特性控制是指对有功或无功功率的控制。能够有效地抑制环流，但计算量大。内特性控制主要是针对变流器中的谐波环流进行控制。④动模试验和工程应用动模试验相较于在电脑上的仿真，能更为准确的验证理论的准确与否，以及在现实中的具体可行性。而MMC的动模试验，因为较小的规模，所以会选取3-9电平数量的系统，来验证上文中的调制策略，以及控制的算法。1.4低压应用背景现如今，对于高压领域的研究逐步完善，但低压领域对于模块化多电平变换器的研究还处在初步阶段。只要少数的研究，仅在理论上论证了模块化多电平在低压情景下的应用前景。所以对于低压的研究还有很多可以去拓展的，一个是MMC应用在低压中对于损耗的影响，还有就是低压MMC的设计，参数选取等问题。参考文献马晨.MOSFET模块化多电平逆变器调制方法的对比研究[D].重庆大学,2017.薛程阔.模块化多电平逆变器的调制策略研究及其优化[D].电子科技大学,2019.康润生,张锐.模块化多电平逆变器的仿真分析[J].电子测量技术,2016,39(03):23-28.宋强,刘文华,李笑倩,李建国,罗雨.模块化多电平换流器稳态运行特性的解析分析[J].电网技术,2012,36(11):198-204.丁冠军,丁明,汤广福,贺之渊.新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略[J].中国电机工程学报,2009,29(30):1-6.杨雨桐,陈柏超,田翠华,薛刚,郭俊华.4种模块化多电平逆变器调制策略对比分析[J].武汉大学学报(工学版),2019,52(06):529-535+564.王琛,许同,王毅,陶建业.一种适用于少子模块MMC的等效电平调制策略[J/OL].中国电机工程学报.:1-12[2021-05-22]./10.13334/李文启,徐箭,刘韶林,高东学,饶宇飞,兰天楷,喻宙.基于模块化多电平换流器的虚拟同步机设计[J].电气应用,2020,39(08):71-77.慕昆,李运娣,何国锋.基于载波移相的MMC电容电压均压控制[J].可再生能源,2020,38(10):1389-1393.林强,厉伟,徐建源,林莘,于高乐.MMC子模块电压均衡及环流抑制方法研究[J].电工电气,2021(01):5-10.j.0258-8013.pcsee.201823.新洋,么莉,张炳达,靳朝.采用模块组多样性等效的模块化多电平换流器实时仿真[J/OL].电力系统自动化:1-14[2021-05-22]./kcms/detail/32.1180.TP.20210225.2125.004.html.岳有军,樊亚振,赵辉,王红君.基于改进排序算法的模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制策略研究[J/OL].电测与仪表:1-5[2021-05-22]./kcms/detail/23.1202.TH.20210416.1735.006.html.许仪勋,冯紫妍,张建浩,汪凯琳,王桂莲.一种适用于少子模块MMC全电平模式混合调制策略[J/OL].华北电力大学学报(自然科学版):1-9[2021-05-22]./kcms/detail/13.1212.TM.20210508.0906.002.html.陈耀军,陈柏超,袁佳歆,田翠华.模块化多电平逆变器电容电压及环流控制[J].电工技术学报,2014,29(10):166-174.杜维秀.H桥多电平逆变电路及其调制方法研究[D].山东科技大学,2018.郭自涛.H桥级联型多电平逆变电路及其应用研究[D].河北工业大学,