新型模块化多电平换流器空间矢量脉宽调制方法.pdf

第34卷第22期Vol.34No.22
2010年11月25日Nov.25,2010

新型模块化多电平换流器空间矢量脉宽调制方法

李强1,贺之渊1,汤广福1,司德亮2,郑斌毅3,殷志良3
(1.中国电力科学研究院,北京市100192;2.内蒙古神舟电力有限公司,内蒙古自治区呼和浩特市010070;
3.上海市电力公司,上海市200122)

摘要:模块化多电平换流器(MMC)是一种新型的多电平电压源换流器,每个桥臂由数个具有独立
直流源的子模块单元串联而成。结合MMC自身的结构特点,分析了其空间矢量状态。基于电压
矢量最优合成顺序,提出了适用于MMC的空间矢量脉宽调制(SVPWM)通用算法。从理论上分
析了多电平SVPWM与消谐波脉宽调制(SHPWM)的内在联系,揭示了多电平SVPWM可等效为
注入合适零序电压分量的载波调制的本质。通过在三相参考电压中注入合适的零序电压分量,重
新布置电压矢量作用时间,可降低33%的开关次数。仿真结果验证了SVPWM通用算法及其优化
方法的有效性和正确性。
关键词:模块化多电平换流器;空间矢量脉宽调制;冗余电压矢量;广义零矢量;子模块

0引言佳,尤其是在电平数较低时。虽然文献[23,8]提到
了将空间矢量脉宽调制(SVPWM)应用于MMC,但
多电平换流器凭借自身良好的适用性和较低的
是具体的实施方法鲜有提及。SVPWM具有直流
谐波畸变率,已经成为比较受欢迎的一种大功率电
电压利用率高、输出电压畸变率小等优点,近年来已
力电子换流器,并且已有多种不同的结构。常见的
经成为多电平领域的一个研究热点。其研究主要集
有二极管钳位型、飞跨电容型和级联H桥型3种结
中于降低输出电压畸变率[1314]、平衡中性点电
构[1]。
压[1516]等方面但大部分都是基于电平换流器进
模块化多电平换流器(MMC)作为一种新型的,3
行应用研究的。作为一种全新的拓扑结构
多电平换流器,通过多个子模块级联而成。每个子MMC,
模块都具有一个独立的直流源,并通过适当控制子上易于扩展到更高电平,迫切需要一种较为通用的
模块开关器件的开通或关断来调整输出电平,从而SVPWM。
合成期望的输出电压。国外对MMC的研究起步较本文结合MMC自身的结构特点,建立了
早[23],不仅研究了其基本工作原理[46],还研制了MMC换流器输出电压空间矢量状态图。通过奇、
17电平、20MW的试验样机[78]。文献[2]介绍了偶冗余矢量的定义详细讨论了电压矢量的最优合成
MMC基本拓扑和工作原理,通过与传统2电平换顺序。基于SVPWM与载波调制内在联系分析,提
流器相对比,讨论了MMC结构的优点。文献[7]分出了降低MMC开关损耗的优化算法。最后通过仿
析了MMC在工业应用时所要注意的几个重要问题真验证了本文方法的正确性。
和应对措施。通过仿真和样机实验证明了更
MMC1MMC的结构
适合功率传送,而且易于升级到较高的电平数。国
内于近2年才开始MMC相关的原理性研究[911]。MMC的电路拓扑结构如图1所示,每相单元
与2电平换流器不同,MMC适当降低开关频率,开由一系列子模块级联而成。每个子模块都具有一个
关损耗小;输出电压呈阶梯变化,电压变化率小。与独立的直流源,通过子模块开关器件开通或关断来
其他多电平换流器相比,其模块化程度高,可以做到控制子模块输出电平,从而合成期望的输出电压。
任意电平数,但是对于5电平或以上的二极管钳位稳态运行时子模块存在2种电平输出状态:当子模

型和飞跨电容型换流器,由于开关器件数量很大,因块的T1导通时,输出+UC;当子模块的T2导通
[12]
此造成结构设计非常困难。时,输出0。从交流侧看,每相上/下桥臂所有子模
有关MMC调制策略的研究不多,文献[11]研块都是串联在一起的,其交流输出电压是所有子模
究了最近电平逼近调制(NLM),但NLM性能不块输出电压的代数和。如果MMC每相上/下桥臂
有2S个子模块,那么其最多可以输出2S+1种电
收稿日期:20100512;修回日期:20100816。平。

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2010,34(22)

合成顺序。为了不引起附加的电平变化,当参考电
压矢量由三角形B移向三角形C时,规定三角形C
的合成顺序为C1;当其由三角形C移向三角形D
时,规定三角形C的合成顺序为C2,因为它们有共
同的起点。同理,当参考电压矢量由三角形A移向
三角形C时,规定只有合成顺序A1和A2适用。

表1图2所有可能的合成顺序
Table1AllpossiblesynthesissequencesofvectorsinFig.2
三角顺序
顺序
形编号
A11,-2,-2∀1,-1,-2∀1,-1,-1∀2,-1,-1
A21,-1,-2∀1