模块化多电平变换器(MMC)的脉冲宽度调制的实验和控制
摘要：模块化多电平变换器(MMC)是新一代不需要变压器而实现高、中压电力转换的多级转换器中的一种。MMC的每相是基于多个双向斩波单元的串级连接。因此需要对每个浮动的直流电容器进行电压平衡控制。然而，目前还没有文章涉及到通过理论和实验验证来实现电压平衡控制的明确讨论。本文涉及两种类型的脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)来解决他们的电路配置和电压平衡控制。平均控制和平衡控制的结合使脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)在没有任何外部电路的情况下实现电压平衡。脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)的可行性,以及电压平衡控制的有效性,通过仿真和实验已经被证实。
关键词：电压电力转换，多级转换器，电压平衡控制
一、 介绍：
大功率的转换器的应用需要线性频率变压器来达到加强电压或电流的额定值的目的（见参考文献【1】——【4】）。2004年投入使用的80MW的静态同步补偿器的转换侧由18个中点箝位(NPC)式转换器组成（文献【4】），每个系列的交流双方串联相应的变压器。线性变压器的使用不仅使转换器笨重,而且也导致当单线接地故障发生时出现直流磁通偏差（文献【5】）。
最近，许多关于电力系统和电力电子的多级转换的科学家和工程师，参与到多电平变换器 为了实现无需变压器而实现中压电力转】换（文献【6】-【8】）。两种典型的方法有：
（1）多级多电平转换(DCMC) （文献【6】, 【7】）;
（2）飞跨电容型多电平变换器(FCMC)（文献【8】）。
三电平多级多电平转换器（DCMC）或者NPC转换器已经被投入实际使用，如果在DCMC中电平的数量超过三个，容易导致串联的直流电容内在电压的不平衡，因此两个直流电容需要一个外部电路（例如buck—boost斩波电路）（文献【11】），此外，一个箝位二极管耐压值的增长是非常有意义的，而且这种增长需要每相串联多个模块，这就造成一些困难。因此合理的电平数量应该根据实际需要考虑但至多不能超过五个。至于FCMC,四级的脉冲宽度调制（PWM）换流器目前已经被一个制造中压驱动器的企业大量生产。然而，较低的载波频率（低于1KHz）的浮动电容器的价格依然昂贵，这是FCMC最大的劣势。
图1：斩波式模块化多电平逆变器的电路配置:
(a)电源电路,(b) 带直流浮动电容器的双向PWM斩波器
在文献【14】——【20】中都有关于模块化多电平变换器（MMC）的介绍，他们应用于大功率场合。图1展示了一个三相模块化多电平逆变器的基本电路布局。每个支路包含两个由多个双向的级联斩波器单元组成的电感单元和两个非耦合缓冲电感。由于MMC在设计时容易构造、装配，且具有灵活性的特点，所以非常适合用于高中压电力转换。西门子计划将MMC投入实际使用，并以“超高压直流(HVDC)”命名。在文献【19】中指出额定功率为400W的超高压直流(HVDC)系统、直流电压为正负200kv，每相有200个串联的斩波器。然而文献【14】——【20】的作者并没有关于阶梯调整的介绍，特别是每相如何实现200个浮动直流电容器的电压平衡也没有详细说明。此外，实验结果也没有公布。 模块化多电平变换器
双星配置的MMCs
使半桥转换单元（斩波单元型MMC（图1））
使用单相全桥转换单元（桥式单元型MMC）
星形配置MMC（图3（a））
增量配置MMC（图3（b））
双MMC（图14）
图2 模块化多电平变换器的分类
本文重点介绍通过每相使用两个非耦合缓冲电感或一个缓冲耦合电感来测试电压平衡控制和脉宽调制MMC(PWMMMC)的操作性能。本文的最终目的是使用PWM-MMC来测试额定功率为1——10MW，直流母线电压为10——30kV，开关频率为200——2000Hz的中压电力转换器。结合平均控制与平衡控制使得实现多个浮动直流电容电压平衡，无需任何外部电路。此外，本文提出双MMC低电压大电流的电源转换。每个直流侧的正和负斩波单元具有一个共同的直流电容器，而其交流侧经由多个缓冲的电感器并联连接。两种不同类型的模块化多电平变换器(MMC)的之间的相似性存在于电路结构和控制方法上。通过仿真结果和实验结果使两个模块化多电平变换器(MMC)的的有效性得到确认。
二、 MMC的拓扑结构
A、按照拓扑图分类
图2展示了基于单相半桥或全桥变换器单元的模块化多电平变换器(MMC)的分类。从它们的拓扑结构，模块化多电平变换器(MMC)的可分为：
1）双星配置的MMCs
2）星形配置MMC[图3的（a）
3）Δ-MMC配置的图3的（b）
4）双MMC（图14）
此外,双星配置的MMCs的可分为:
1）一个斩波单元类型MMC（图1）
2）一个桥型单元类型MMC。
B、在应用和功能方面的比较 双星配置的模块化多电平变换器(MMC)拓扑具有公共直流母线端子，如图1（a）所示，这样就能实现直流—交流和交流—直流的电源转换。然而，星形/三角形配置MMC拓扑结构有没有共同的直流母线端子，如图3所示。结果，虽然它可以控制三相交流端子及浮动型直流电容器之间往复的有功功率，但它不具有实现直流到交流和交流到直流的变换的功能。这表明星形/三角形配置的MMC拓扑结构并不适用于工业电机驱动器，但它适合于STATCOMs和能量存储系统文献【21】——【23】。这种功能在双星配置的MMC拓扑（图1）和星形/三角形配置MMC拓扑（图3）在功能和应用方面最显著的差异。
图3：MMC的电路分布：（a）星形配置MMC(b)双配置MMC
桥型单元类型MMC通过使用单相全桥变换器的单元取代在斩波单元如图1（b）。因此，直流电压源E可以被替换为一个单相交流电压源（文献【16】）。双MMC的详细讨论在第五节。在本文中，斩波单元型MMC的简称为“MMC”。
C、直流回路电流的定义
图1示出根据该电路的MMC，三相逆变器的每相都包括两个由四个双向斩波器组成的单元和两个非耦合缓冲电感。各斩波单元包括一个浮动直流电容器和双向斩波器的形成的两个绝缘栅双极晶体管。值得注意的是每相斩波器单元的工作原理都是相同的。 图1(a)中的电路方程如下：
8j1(i+i)juPuNudEvldt （1）
下标符号j表示每个斩波的单元编号。其中E是电源的直流电压，juv是u相第j个斩波单元的输出电压，l是缓冲电感，Pui和Nui是正负相桥臂电流。（1）式给出基尔霍夫电压定律（KVL），它是独立于负载的给定回路且被称为“直流回路”。U相直流回路的循环电流Zui可以定义为1()222uuZuPuNuPuNuiiiiiii （2）
电流内环
图4：直流电容电压控制框图：（a）平均控制，（b）平衡控制
需要注意的是Pui、Nui、Ui、di是支路电流，而Zui是一个不可能直接测量的回路电流。
三、 模块化多电平变换器(MMC)的控制方法
图18中每相浮动直流电容器的电压平衡控制可分为：
1）平均控制
2）平衡控制
A、平均控制
图4（a）表示平均化控制的框图。它促使u相平均电压Cuv受*Cv的控制，其中8118CuCjujvv （3）
图4（a）中的***12(v)K(vv)ZuCCuCCuiKvdt（4）
从平均控制得到的电压指令，***34(ii)K(ii)AuZuZuZuZuvKdt （5）
当**,CCuZuvvi时增加。图4中的电流内环的功能是通过*Zui来控制直流回路电流Zui。所以Zui的反馈控制使*Cv能够控制*Cv而不受ui的影响。
B、平衡控制
文献[21]中描述的平衡控制的使用迫使个别直流电压受*Cv的控制。图4（b）展示了U相平衡控制的框图，其中*Bjuv受电压的平衡控制。因此平衡控制受Pui或Nui的控制，*Bjuv的极性根据Pui或Nui的变化而改变。当图1中正相桥臂的*(j:14)CCjuvv时，应该从直流电压模块中拿出一个正相电压给4个斩波单元。当Pui为正的时候，*(v)BjuBjuv，Pui形成正相电压。当Pui为负时，Bjuv取负。最终*vBju当j从1—4
*5(vv)CCjuK(i0)Pu
*v=Bju
（6）
*5(vv)CCjuK(i0)Pu
*vBju当j从5—8时应描述如下：
*5(vv)CCjuK(i0)Nu
*v=Bju （7）
*5(vv)CCjuK(i0)Nu
图5 各相的指令电压：（a）正相臂（b）负相臂
如图5所示各相斩波模块的电压*vBju，正相臂和负相臂*vBju描述如下： ****48ujuAuBjuvEvvv（j:1—4） (8)
****48ujuAuBjuvEvvv （j:5—8） (9)
其中*uv是U相负载上的交流电压。图5描述了对直流电源电压E的前馈控制。指令电压*juv被每相直流电容电压Cjuv控制，根据与频率为fc的三角波的最大值与最小值比较得出结果。每个斩波单元格的实际开关频率SCff。这8个斩波模块需要8个同频率但相位相差45度的三角波来达到消除谐波和提高现有可控性的目的。因此，相电压总共是9电平电压波形，而线电压是17电平电压波形。
C、仿真结果
图6显示了图1的仿真波形，表1和表2为电路参数和仿真参数，其中E=9Kw，P=1MW，线电压的有效值为5.5kV。
图6：图1的仿真结果，f=50Hz，*Cv=2.25Kv，E=9kV
表1：电路仿真参数
括号里面为三相电,电压为5.5kV，频率为50Hz，功率为1MW
表2：控制增益的仿真参数
每个斩波器的直流电容的电压为2.25kV（=9kV/4），然而三相负载电压如下所示：
***0.5sin220.5sin(2)340.5sin(2)3950uvwvEftvEftvEftEkVfHz （10）
其中***uvwvvv、、为三相相电压。图6中每个斩波单元的调制参数都相同。
表1中，H定义如下：23266138121.9102.251020.11510CCVHP (11) CV是每个斩波单元的额定电压。需要注意的是，H定义为存储在直流电容的电量与额定有功功率之比。因此H有第二种定义。
图6说明uvv是17线电压电平，通过控制直流电容来获得电压平衡。直流输入Pd被定义为：ddpEi (12)
此处di是一个直流输入电流。dp的波形包括以下两个频率成分：一个是从三相全桥转换器所产生的基频的六次谐波分量（300Hz），另一个是基频（50Hz）。每部分的仿真波形的数据分析在下部分给出。
四、 实验结果
A、用于实验的系统配置
B、 图7、实验电路：（a）半桥电路（b）系统结构