冶金自动化研究设计院
硕士学位论文 模块化多电平变流器的研究
姓名：姜廷阳 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：朱春毅；李崇坚
201101
中文摘要
中文摘要
论文以模块化多电平变流器（MMC)为研究对象，分析了 MMC的数学摸型和 控制策略，并进行了仿真分析。
论文首先介绍了 MMC的拓扑结构以及子模块换流原理，并进一步介绍了 MMC 的工作原理，在此基础上推导得到了其数学模型。
通过数学模型，介绍了几种控制策略，包括载波控制、合成PWM控制、SVPWM 控制以及SHEPWM控制等几种方式，并对每一种控制方式进行了详细的描述，通过 这些控制，模块化多电平变流器可以得到期望输出的波形。并针对每一种调制策略进 行了仿真分析，通过仿真得到了理想的输出结果。
MMC在实际应用中，由于电容串联在主回路中，悬浮电容在每一个时刻不停的 进行充
放电，电容电压存在着波动，所以对电容电压进行控制是MMC主要研究的问 题。文中提出了电容均压策略，通过对每个桥臂子模块电容电压大小进行排序，根据 每个桥臂上电流方向，对排序好的子模块选择性开通或关断，以使得电容电压较小的 模块充电，电容电压较大的模块放电。文中比较了两种调制方式的性能，结果表明合 成PWM调制方式比载波调制方式谐波更小，电压利用率更高。通过仿真发现，MMC 电容电压波动与输出频率成反比，与输出电流成正比。进一步通过数学模型分析了产 生电容电压波动的原因，结论表明，MMC电容电压纹波大小与频率有关，在输出电 流频率比较低的情况下，电容电压波动比较大。数学分析表明，MMC的共模电压和 直流侧与交流侧环流是两个自由度可控的量，不会影响输出波形。通过对数学模型的 理解，提出了一种低频策略，对桥臂能量进行分解为共模部分和差模部分，通过注入 环流改变系统的能量结构，降低电容电压波动。
MMC变流器预充电是保证系统能够正常运行的必要条件，文中最后提出了适合 于MMC的预充电策略，并给出了电容选择的方法。
关键词：模块化多电平变流器，MMC，电容均压策略，子模块，悬浮电容， 预充电
ABSTRACT
This paper focuses its researches on Modulator Multilevel Converter, analysis the
ABSTRACT
mathematical model of MMC and control strategy, and simulates the topology.
This paper first describes the topology of MMC and commutation principle of sub-modules. And then introduces the work theory, based this principle deduces the mathematical model formula of MMC.
This paper introduces several modulation and control strategies, Includes carrier modulation, generated PWM modulation, SVPWM modulation and SHEPWM method. And then it gives very detailed description. According to the control strategy, MMC can generate desired output waveform. For every modulation strategy it comes out the desired simulation result. In practical applications, capacitors are in series connection in the main circuit. Floating capacitor is charging or discharging all the time. The capacitor voltages fluctuate. So the main problem focuses on the voltage control of MMC. This paper proposed voltage balancing strategy. Through a sorting algorithm of capacitor voltage, And considering the direction of current, it gives the open or close signals of sub-modules. The sub-module whose capacitor voltage is low will be charged, and the sub-module whose capacitor voltage is high will be discharged. This paper compares the performance of the two modulation method, and the results show that generated PWM modulation has smaller harmonic and higher voltage utilization than carrier PWM modulation method, simulation results show that the ripple of capacitors is inversely proportional to the frequency of phase current, and proportional to the amplitude of current. Through mathematical model this paper analysis the ripple of capacitors, The conclusion implies that the capacitor voltage ripple depends on the frequency of output current. At the low frequency the capacitor voltage ripple will be large. Based on mathematical model. Degrees of freedom are the common-mode voltage and the circulating current of dc side and ac sides. It don't affect the output waveform. At last it come out an low frequency mode operation method, through compensating the power of capacitors through circulating current, the ripple shall be
ABSTRACT
reduced.
The pre-charge of MMC can be a necessary condition for normal operation. At last, the paper introduces the pre-charge strategy. The capacitor selective method is also introduced.
Keywords: modulator multilevel converter, MMC, voltage balanced strategy, sub-module, floating capacitor, pre-charge
第一章绪论
第1章绪论
1.1模块化多电平变流器的研究背景与意义
近年来，随着世界能源短缺，风能和太阳能等新能源发电已经成为一个热门的研 究方向，而我国幅员辽阔，伴随着新能源发电而来的问题是电能的输送，我国的风能 主要分布在西北和沿海地区，而我国的用电地区主要分布在东部，如何长距离的输送 电能成了一个重要的课题。众所周知，在输电距离在几百km以上时，直流输电具有 无可比拟的优势，而轻型直流输电系统（VSC-HVDC)作为经济灵活高可控性的输电 方式，得到了我国的大力发展。高压直流输电对电压源变流器的容量和电压等级提出 了更高的要求，而模块化多电平变流器应运而生。
在交流电动机调速领域，随着电力电子技术的发展，新的变频器拓扑结构不断涌 现，基于PWM技术的IGCT和IGBT逆变器也逐步在大功率领域取代了晶闸管。大 容量多电平变换器的应用越来越广泛，为了改善系统性能，提出了各种各样的多电平 拓扑结构。
目前常见的逆变器有两电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器，飞跨电容型逆 变器，以及H桥级联式逆变器。这些拓扑有其各自的优缺点，比如飞跨电容型逆变 器在目前只有四电平投入商业运行，其应用的开关频率在1000Hz以上，因此在低频 时电容能量损耗比较大。H桥型级联式逆变器的优点是输入电流多重化，波形较好， 输出使用载波移相PWM，易于实现，无直流电容均压的问题，可以应用于线电压大 于4.16kV的电压等级，开关频率较高，理论上可以无限级联。但是由于多电平需要 输入移相变压器副边线圈相应增多，造成变压器制造困难，实际中不可能无限增多， 限制了其功率容量和电压的大小，而且制动能量回馈再利用实现起来比较困难。二极 管钳位型三电平变流器拓扑结构，通过箝位的方式将功率开关器件连接在一起，实现 了高电压、大容量，有效地避免了传统变流器依靠功率开关器件直接串并联所带来的 均压、均流等一系列问题。无须复杂的变压器，直接实现高电压、大功率变换，可以 大大降低装置的体积和成本。如在整流和逆变侧分别采用上述的拓扑结构，进行双
PWM控制，将制动能量回馈到电网，可以实现电机四象限调速运行，但由于受开关
1