《电子技术应用》

基于载波混合SPWM控制模块化多电平变换器的研究

2017年电子技术应用第6期 作者:袁知文,董秀成,余小梅
2017/7/24 13:39:00

袁知文,董秀成,余小梅

(电力电子节能技术与装备重点实验室(西华大学),四川 成都610039)


    摘  要: 模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)是柔性直流输电的应用热点之一。针对传统脉冲宽度调制方式在MMC系统中存在使每个模块单元输出功率不等,输出波形性能降低等问题,提出了一种基于载波混合脉冲宽度调制策略(carrier-based hybrid SPWM,CBH-SPWM)。该调制策略同时包含了载波重叠和载波移相两种调制方法的特点。一方面提高了输出电压的性能,另一方面使MMC中每个模块输出功率相等。仿真结果验证了所提CBH-SPWM方法的正确性与有效性。

    关键词: 模块化多电平换流器(MMC);模块输出功率;输出性能;载波混合SPWM

    中图分类号: TM7

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.036


    中文引用格式: 袁知文,董秀成,余小梅. 基于载波混合SPWM控制模块化多电平变换器的研究[J].电子技术应用,2017,43(6):143-146.

    英文引用格式: Yuan Zhiwen,Dong Xiucheng,Yu Xiaomei. Research on a novel carrier-based hybrid SPWM strategy control modular multilevel converter[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):143-146.

0 引言

    近年来,多电平变换器以其独特的结构特点在高压大功率场合受到了广泛的关注[1-3]。脉冲调制技术是直接影响多电平变换器输出性能的关键技术之一。MMC提出了以后,国内外学者对MMC脉冲调制进行了广泛的研究。主要归结于两类:即基于阶梯电平的调制和基于脉宽的调制(pulse width modultion,PWM)。文献[4-6]介绍了阶梯电平中较为受青睐的最近电平调制(nearest level modulation,NLM)在MMC结构中的实现方法和效果,结合了桥臂间的电流,各个模块的电容电压以及各个模块上流过的电流,有选择地将模块单元进行投切。但是,当MMC模块单元较少时,采用NLM,输出性能并不是很好。同时将阶梯电平调制方式直接用于MMC中会导致各个模块单元输出功率的不平衡,产生严重环流,导致系统无法正常工作。文献[7]采用(carrier phase-shifted sinusoidal pulse width modulation,CPS-SPWM)作为MMC的调制策略,在CPS-SPWM技术下,可以通过较低的开关频率实现较高的等效开关频率,各个功率单元的开关频率相同,能量分布均衡,并介绍了其在MMC中载波的分配规律。文献[8]指出载波层叠调制(phase disposition SPWM,PD-SPWM)相比于CPS-SPWM输出线电压的谐波含量更低,输出性能更好。然而,在PD-SPWM技术下,各个模块单元的开关不一致,功率单元的能量分布不平衡。

    上述提到的调制方式均有各自的不足,本文以输出波形谐波含量低和各个模块单元开关次数相同,能量分布均衡为目的,提出了一种新型载波混合脉冲宽度调制策略(carrier-based hybrid SPWM,CBH-SPWM),它综合了PD-SPWM和CPS-SPWM两种调制策略的优点。

1 MMC拓扑结构及工作原理

    图1为MMC的三相拓扑结构,它由6个桥臂构成,每相由上下两个桥臂组成,每个桥臂含有N个相同的相互连接的子模块(sub module,SM)。每个桥臂含有一个电感,该电感的主要作用是限制桥臂内不同的子模块接入时和母线之间的电压跳变而引起的尖峰电流以及母线与桥臂之间的环流。MMC的子模块SM由两个IGBT开关管组成的半桥和一个储能电容构成,如图1所示,工作状态如表1。

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2 控制策略的运行原理

    为了实现系统的高效率、高性能运行,本文提出了一种基于载波的混合脉冲宽度调制策略,该策略结合了PD-SPWM和CPS-SPWM两者的优点,可以使MMC中各个子模块开关次数相同,各个功率单元能量均衡,且具有较低的谐波特性。

2.1 PD-SPWM和CPS-SPWM的原理

    PD-SPWM调制策略运用到MMC桥臂中的运行规则如图2所示。在图2(a)中,分别展示了上桥臂每个子模块的输出电压和A相上桥臂的输出电压。图2(b)为CPS-SPWM在MMC中的运行原理。在图2(b)中展示了上桥臂两个子模块的输出电压和A相上桥臂的输出电压。

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    从图2可以看出,采用CPS-SPWM,两个模块上的开关频率完全一致,但在PD-SPWM中,两个模块上的开关频率完全不同。并且采用PD-SPWM调制策略,两个模块的输出基波幅值不等,那就意味着两个模块输出的功率不平衡。将PD-SPWM直接应用于MMC中,会出现子模块输出功率的不平衡,开关频率也不相等的问题,并会导致严重环流,使系统无法正常工作。

    图3对两种调制方式下输出的电压波形在调制比M在[0,1]范围内的谐波含量进行统计(N=2)。其输出结果如图3所示。由图3可见,在MMC中采用PD-SPWM控制输出的相电压和线电压波形质量明显优于CPS-SPWM。因此从输出电压波形质量而言,PD-SPWM控制更具有优势。

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2.2 基于载波的混合脉冲宽度调制(CBH-SPWM)

    本文结合这两种调制策略的特点,提出了一种CBH-SPWM调制方法,其思想为在每个模块单元采用了PD-SPWM的调制原理,在各个模块单元之间采用了CPS-SPWM的调制原理。

    图4(a)展示了CBH-SPWM在MMC含有两个模块单元时的运行原则。载波vc1和载波vc2呈现交替的状态,且vc1和vc2之间存在180°的相移;vs1和vs2分别是上、下桥臂的参考信号,且两者之间存在180°的相移。vc1和vc2与vs1进行比较,分别得到上桥臂两个子模块的PWM信号;采用相同的载波信号vc1和vc2与vs2进行比较,分别得到下桥臂两个子模块的PWM信号。这样决定各个子模块的投切状态,将投入的各子模块输出电压相叠加,进而得到MMC桥臂的输出电压波形。图4(b)展示了CBH-SPWM在4个子模块里串联时的运行规则,同组两个载波信号相位相差180°,相邻两组的载波信号相位相差90°,A相输出电压为7电平。

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    在N个子模块串联的MMC中,CBH-SPWM调制策略是指,对于每个相中的上桥臂相邻的两个子模块均采用频率和幅值相同,相位相差180°的交替载波信号,每组相邻的两个子模块的载波信号依次移开π/n(n=N/2)相位角,然后与同一个正弦调制波信号进行比较得到N组互补的脉冲信号;下桥臂的载波信号与上桥臂的载波信号完全相同,调制信号相位相差180°,最后输出相电压的波形为2N+1。

    图5为采用三种调制方式下输出电压总的谐波含量在调制比M在[0.1,1]范围内的对比统计。图中本文提出的CBH-SPWM与PD-SPWM输出电压的谐波含量基本一致,CPS-SPWM输出电压的谐波含量最高。

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3 仿真研究

    为了验证所提CBH-SPWM调制策略的正确性,在MATLAB(Smulink)平台中搭建了单相MMC系统。每个桥臂含有两个子模块。仿真的参数如下:直流侧电压Udc/2=4 500 V,每个子模块上电容电压为uc=4 500 V,电容值C=2 mF,桥臂上电感值LP=LN=3 mH,混合载波频率fc=2 000 Hz,调制比m=0.9,负载电阻R=22 Ω,负载电感L=10 mH。分别采用PD-SPWM、CPS-SPWM和CBH-SPWM三种调制方式进行仿真对比。

    图6为采用PD-SPWM输出的电压电流波形及频谱。PD-SPWM调制方式,使得MMC桥臂上各个模块单元上开关频率不一致,每个模块输出基波电压不同,导致模块输出功率不平衡。与图8在CBH-SPWM输出的电压电流波形及频谱相比,输出的电压及电流波形质量基本一致。图7为采用CPS-SPWM输出的电压电流波形及频谱。采用CPS-SPWM可以使桥臂上每个模块单元开关频率一致,损耗相同,模块输出功率平衡,但与图6和图8的输出电压电流的谐波含量相比,其输出电压和电流的谐波含量偏大。

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    由图6、图7、图8可看出,CBH-SPWM相比于PD-SPWM,输出电压和电流的谐波含量基本相等,且在CBH-SPWM调制下MMC系统中桥臂上各个模块开关频率一致,各模块输出功率相同;CBH-SPWM相比于CPS-SPWM,两者都不存在模块输出功率不平衡的问题,但在前者调制下输出的电压和电流的谐波含量更低。

    从图6~图8的仿真结果对比证明了CBH-SPWM的正确性与有效性,与理论分析一致。并且本文提出的CBH-SPWM结合了PD-SPWM与CPS-SPWM两种调制方法的特点,比两种调制方法更适合应用与MMC系统中。

    为验证提出CHB-SPWM在三相系统中的可靠性,在MATLAB(Smulink)平台中搭建了一个三相MMC样机。每个桥臂含有两个子模块,图9为直流电压在t=1 s时由9 kV变为9.5 kV,MMC系统中桥臂上子模块的电容电压输出情况。

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    由图9可见,当系统中直流电压参考量发生变化时,桥臂中的子模块的电容电压实现了动态调节,依然保持良好的稳定性。这样就能保证直流母线电压和系统输送的灵活调节。

4 结论

    本文结合MMC的工作原理及特点,重点对调制策略进行了研究,由于传统调制方式在MMC中会存在输出的总谐波含量高,各个子模块的开关频率及输出功率不一致的问题,提出了一种CBH-SPWM调制策略。结合了CPS-SPWM的优点,实现了各个桥臂上子模块开关频率相同,损耗一致,输出功率平衡,同时又保留了PD-SPWM控制下输出波形总谐波含量低的特点。通过仿真验证了该方法的有效性及优越性。

参考文献

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