【摘要】：由于模塊化多電平變換器(modular multilevel converter,MMC)本身的結(jié)構(gòu)特點帶來了橋臂環(huán)流問題,環(huán)流的存在使得MMC橋臂電流發(fā)生畸變,從而提高了器件的額定電流容量,增加了系統(tǒng)成本,甚至威脅功率器件和電容的正常安全運行。為了克服上述問題,首先建立了MMC的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出環(huán)流中主要存在直流分量和偶數(shù)次環(huán)流諧波分量,其中2次、4次諧波所占比重最大。為了實現(xiàn)對環(huán)流的有效抑制,提出了一種基于雙PI控制器的環(huán)流抑制策略;基于該策略搭建了Matlab/Simulink仿真和實驗平臺,實驗和仿真結(jié)果驗證了環(huán)流理論分析的正確性和所提環(huán)流抑制策略的有效性。
【圖文】：

MMC工作原理分析1.1MMC數(shù)學(xué)模型圖1為MMC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可以看出，MMC主要包括三相，每相由上、下橋臂組成，每個橋臂由n個子模塊(SM)與一個濾波電抗器串聯(lián)而成，每個子模塊由半橋和電容并聯(lián)構(gòu)成，通過控制子模塊IGBT開關(guān)動作可以調(diào)節(jié)子模塊輸出電壓[13-14]。圖1中：IGBT1和IGBT2表示電力電子開關(guān)器件，D1和D2表示反并聯(lián)二極管，Uc表示電容電壓，iSM和USM分別表示流入子模塊的電流，和子模塊輸出電壓，usx和ix(x=a,b,c)分別表示電網(wǎng)電壓和電流，L為濾波電感，SMi(i=1,2,3,…,n)圖1MMC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1ThetopologyofMMC為各橋臂串聯(lián)的子模塊，ipx、inx和izx(x=a,b,c)分別表示各相上、下橋臂電流和環(huán)流，Lbridge為橋臂電感，Udc為直流側(cè)母線電壓。圖2為MMC的單相等效電路，其中us表示電網(wǎng)相電壓。上橋臂或者下橋臂所串聯(lián)的子模塊可以等效為受控電壓源(up、un)，uout為單相輸出電壓，MMC三相輸出通過濾波電感與電網(wǎng)相連結(jié)。忽略橋臂濾波電抗器上的電壓降則可得如下方程式：dcpoutdcnout22UuuUuu(1)zz_dcciriIi圖2MMC單相等效電路Fig.2ThesinglephaseequivalentcircuitofMMCip、in分別表示上、下橋臂電流，主要包括兩部分：環(huán)流成分iz和輸出電流iout，它們存在如下關(guān)系：outpzoutnz22iiiiii(2)環(huán)流也可以分為兩部分：直流分量z_dcI和交流環(huán)流分量cirI；直流分量z_dcI在三相之間均分，起到功率傳輸?shù)淖饔茫涣鳝h(huán)流分量cirI主要在MMC三相之間內(nèi)部流動，對外部輸出電流outi不會造成影響。不考慮MMC變換器內(nèi)部損耗，則根據(jù)功率

5,z_7,z_9,...I0(23)從式(19)—(23)中可以看出，環(huán)流中只包含偶數(shù)次諧波，奇數(shù)次諧波都等于零；根據(jù)式(19)可知橋臂電抗器可有效抑制高次諧波。因此，通過上述建立環(huán)流數(shù)學(xué)模型可得出如下結(jié)論：環(huán)流中只含有直流分量和偶數(shù)次諧波，不含有奇數(shù)次諧波，并且2次、4次諧波所占比重最大。2環(huán)流控制策略2.1直流分量環(huán)流控制根據(jù)第2節(jié)的分析可知，MMC三相間的橋臂電壓之和不一致是引起環(huán)流的主要原因，而環(huán)流中的直流分量起到維持三相能量均衡和傳輸功率的作用，為了保證MMC的正常運行必須對直流分量進(jìn)行有效的控制。圖3為直流分量的控制框圖。圖3中：vx表示x相電壓調(diào)制信號；ipx和inx分別表示x相上、下橋臂電流，izx和izx*分別表示x相環(huán)流和環(huán)流參考；xv(x=a,b,c)為每相平均電壓。pn111()2nnxxixiiivuun,x=a,b,c(24)式中upxi和unxi分別表示x相上、下橋臂第i個子模塊的輸出電壓值。vx*zix*capU圖3直流分量環(huán)流控制Fig.3Thecontrolofdccirculatingcurrent由圖3可以看出，通過外環(huán)電壓控制可以保證每相電壓的平均值等于理論參考值，并生成相應(yīng)的直流分量環(huán)流指令*zxi，迫使橋臂電流跟隨外環(huán)指令變化，從而實現(xiàn)直流分量的控制�？紤]到環(huán)流中含有一定的諧波電流，而比例諧振(proportionalresonant，，PR)控制器可以很好地對交流信號實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，所以內(nèi)環(huán)電流部分采用了PR控制器。由于直流分量環(huán)流是通過調(diào)節(jié)每相橋臂電容電壓的均值相等來實現(xiàn)控制的，所以直流分量環(huán)流控制實質(zhì)上起到了電容電壓均衡的作用。2.2諧波環(huán)流分量控制根據(jù)上節(jié)的控制算法，盡管通過對每相電容電壓的平均控制，一定程度上間接抑制了相間環(huán)流，但只是穩(wěn)定控制環(huán)流中的?
【作者單位】： 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院;山東電力集團(tuán)公司;淄博供電公司;
【分類號】：TM46

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2543966