0 引言

    近年來，多電平變換器以其獨特的結(jié)構(gòu)特點在高壓大功率場合受到了廣泛的關(guān)注^[1-3]。脈沖調(diào)制技術(shù)是直接影響多電平變換器輸出性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。MMC提出了以后，國內(nèi)外學(xué)者對MMC脈沖調(diào)制進行了廣泛的研究。主要歸結(jié)于兩類：即基于階梯電平的調(diào)制和基于脈寬的調(diào)制(pulse width modultion，PWM)。文獻[4-6]介紹了階梯電平中較為受青睞的最近電平調(diào)制(nearest level modulation，NLM)在MMC結(jié)構(gòu)中的實現(xiàn)方法和效果，結(jié)合了橋臂間的電流，各個模塊的電容電壓以及各個模塊上流過的電流，有選擇地將模塊單元進行投切。但是，當MMC模塊單元較少時，采用NLM，輸出性能并不是很好。同時將階梯電平調(diào)制方式直接用于MMC中會導(dǎo)致各個模塊單元輸出功率的不平衡，產(chǎn)生嚴重環(huán)流，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。文獻[7]采用(carrier phase-shifted sinusoidal pulse width modulation，CPS-SPWM)作為MMC的調(diào)制策略，在CPS-SPWM技術(shù)下，可以通過較低的開關(guān)頻率實現(xiàn)較高的等效開關(guān)頻率，各個功率單元的開關(guān)頻率相同，能量分布均衡，并介紹了其在MMC中載波的分配規(guī)律。文獻[8]指出載波層疊調(diào)制(phase disposition SPWM，PD-SPWM)相比于CPS-SPWM輸出線電壓的諧波含量更低，輸出性能更好。然而，在PD-SPWM技術(shù)下，各個模塊單元的開關(guān)不一致，功率單元的能量分布不平衡。

    上述提到的調(diào)制方式均有各自的不足，本文以輸出波形諧波含量低和各個模塊單元開關(guān)次數(shù)相同，能量分布均衡為目的，提出了一種新型載波混合脈沖寬度調(diào)制策略(carrier-based hybrid SPWM，CBH-SPWM)，它綜合了PD-SPWM和CPS-SPWM兩種調(diào)制策略的優(yōu)點。

1 MMC拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖1為MMC的三相拓撲結(jié)構(gòu)，它由6個橋臂構(gòu)成，每相由上下兩個橋臂組成，每個橋臂含有N個相同的相互連接的子模塊(sub module，SM)。每個橋臂含有一個電感，該電感的主要作用是限制橋臂內(nèi)不同的子模塊接入時和母線之間的電壓跳變而引起的尖峰電流以及母線與橋臂之間的環(huán)流。MMC的子模塊SM由兩個IGBT開關(guān)管組成的半橋和一個儲能電容構(gòu)成，如圖1所示，工作狀態(tài)如表1。

2 控制策略的運行原理

    為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高效率、高性能運行，本文提出了一種基于載波的混合脈沖寬度調(diào)制策略，該策略結(jié)合了PD-SPWM和CPS-SPWM兩者的優(yōu)點，可以使MMC中各個子模塊開關(guān)次數(shù)相同，各個功率單元能量均衡，且具有較低的諧波特性。

2.1 PD-SPWM和CPS-SPWM的原理

    PD-SPWM調(diào)制策略運用到MMC橋臂中的運行規(guī)則如圖2所示。在圖2(a)中，分別展示了上橋臂每個子模塊的輸出電壓和A相上橋臂的輸出電壓。圖2(b)為CPS-SPWM在MMC中的運行原理。在圖2(b)中展示了上橋臂兩個子模塊的輸出電壓和A相上橋臂的輸出電壓。

    從圖2可以看出，采用CPS-SPWM，兩個模塊上的開關(guān)頻率完全一致，但在PD-SPWM中，兩個模塊上的開關(guān)頻率完全不同。并且采用PD-SPWM調(diào)制策略，兩個模塊的輸出基波幅值不等，那就意味著兩個模塊輸出的功率不平衡。將PD-SPWM直接應(yīng)用于MMC中，會出現(xiàn)子模塊輸出功率的不平衡，開關(guān)頻率也不相等的問題，并會導(dǎo)致嚴重環(huán)流，使系統(tǒng)無法正常工作。

    圖3對兩種調(diào)制方式下輸出的電壓波形在調(diào)制比M在[0，1]范圍內(nèi)的諧波含量進行統(tǒng)計(N=2)。其輸出結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，在MMC中采用PD-SPWM控制輸出的相電壓和線電壓波形質(zhì)量明顯優(yōu)于CPS-SPWM。因此從輸出電壓波形質(zhì)量而言，PD-SPWM控制更具有優(yōu)勢。

2.2 基于載波的混合脈沖寬度調(diào)制(CBH-SPWM)

    本文結(jié)合這兩種調(diào)制策略的特點，提出了一種CBH-SPWM調(diào)制方法，其思想為在每個模塊單元采用了PD-SPWM的調(diào)制原理，在各個模塊單元之間采用了CPS-SPWM的調(diào)制原理。

    圖4(a)展示了CBH-SPWM在MMC含有兩個模塊單元時的運行原則。載波v_c1和載波v_c2呈現(xiàn)交替的狀態(tài)，且v_c1和v_c2之間存在180°的相移；v_s1和v_s2分別是上、下橋臂的參考信號，且兩者之間存在180°的相移。v_c1和v_c2與vs1進行比較，分別得到上橋臂兩個子模塊的PWM信號；采用相同的載波信號v_c1和v_c2與v_s2進行比較，分別得到下橋臂兩個子模塊的PWM信號。這樣決定各個子模塊的投切狀態(tài)，將投入的各子模塊輸出電壓相疊加，進而得到MMC橋臂的輸出電壓波形。圖4(b)展示了CBH-SPWM在4個子模塊里串聯(lián)時的運行規(guī)則，同組兩個載波信號相位相差180°，相鄰兩組的載波信號相位相差90°，A相輸出電壓為7電平。

    在N個子模塊串聯(lián)的MMC中，CBH-SPWM調(diào)制策略是指，對于每個相中的上橋臂相鄰的兩個子模塊均采用頻率和幅值相同，相位相差180°的交替載波信號，每組相鄰的兩個子模塊的載波信號依次移開π/n(n=N/2)相位角，然后與同一個正弦調(diào)制波信號進行比較得到N組互補的脈沖信號；下橋臂的載波信號與上橋臂的載波信號完全相同，調(diào)制信號相位相差180°，最后輸出相電壓的波形為2N+1。

    圖5為采用三種調(diào)制方式下輸出電壓總的諧波含量在調(diào)制比M在[0.1，1]范圍內(nèi)的對比統(tǒng)計。圖中本文提出的CBH-SPWM與PD-SPWM輸出電壓的諧波含量基本一致，CPS-SPWM輸出電壓的諧波含量最高。

3 仿真研究

    為了驗證所提CBH-SPWM調(diào)制策略的正確性，在MATLAB(Smulink)平臺中搭建了單相MMC系統(tǒng)。每個橋臂含有兩個子模塊。仿真的參數(shù)如下：直流側(cè)電壓U_dc/2=4 500 V，每個子模塊上電容電壓為u_c=4 500 V，電容值C=2 mF，橋臂上電感值L_P=L_N=3 mH，混合載波頻率f_c=2 000 Hz，調(diào)制比m=0.9，負載電阻R=22 Ω，負載電感L=10 mH。分別采用PD-SPWM、CPS-SPWM和CBH-SPWM三種調(diào)制方式進行仿真對比。

    圖6為采用PD-SPWM輸出的電壓電流波形及頻譜。PD-SPWM調(diào)制方式，使得MMC橋臂上各個模塊單元上開關(guān)頻率不一致，每個模塊輸出基波電壓不同，導(dǎo)致模塊輸出功率不平衡。與圖8在CBH-SPWM輸出的電壓電流波形及頻譜相比，輸出的電壓及電流波形質(zhì)量基本一致。圖7為采用CPS-SPWM輸出的電壓電流波形及頻譜。采用CPS-SPWM可以使橋臂上每個模塊單元開關(guān)頻率一致，損耗相同，模塊輸出功率平衡，但與圖6和圖8的輸出電壓電流的諧波含量相比，其輸出電壓和電流的諧波含量偏大。

    由圖6、圖7、圖8可看出，CBH-SPWM相比于PD-SPWM，輸出電壓和電流的諧波含量基本相等，且在CBH-SPWM調(diào)制下MMC系統(tǒng)中橋臂上各個模塊開關(guān)頻率一致，各模塊輸出功率相同；CBH-SPWM相比于CPS-SPWM，兩者都不存在模塊輸出功率不平衡的問題，但在前者調(diào)制下輸出的電壓和電流的諧波含量更低。

    從圖6～圖8的仿真結(jié)果對比證明了CBH-SPWM的正確性與有效性，與理論分析一致。并且本文提出的CBH-SPWM結(jié)合了PD-SPWM與CPS-SPWM兩種調(diào)制方法的特點，比兩種調(diào)制方法更適合應(yīng)用與MMC系統(tǒng)中。

    為驗證提出CHB-SPWM在三相系統(tǒng)中的可靠性，在MATLAB(Smulink)平臺中搭建了一個三相MMC樣機。每個橋臂含有兩個子模塊,圖9為直流電壓在t=1 s時由9 kV變?yōu)?.5 kV，MMC系統(tǒng)中橋臂上子模塊的電容電壓輸出情況。

    由圖9可見，當系統(tǒng)中直流電壓參考量發(fā)生變化時，橋臂中的子模塊的電容電壓實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)節(jié)，依然保持良好的穩(wěn)定性。這樣就能保證直流母線電壓和系統(tǒng)輸送的靈活調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

    本文結(jié)合MMC的工作原理及特點，重點對調(diào)制策略進行了研究，由于傳統(tǒng)調(diào)制方式在MMC中會存在輸出的總諧波含量高，各個子模塊的開關(guān)頻率及輸出功率不一致的問題，提出了一種CBH-SPWM調(diào)制策略。結(jié)合了CPS-SPWM的優(yōu)點，實現(xiàn)了各個橋臂上子模塊開關(guān)頻率相同，損耗一致，輸出功率平衡，同時又保留了PD-SPWM控制下輸出波形總諧波含量低的特點。通過仿真驗證了該方法的有效性及優(yōu)越性。

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作者信息:

袁知文，董秀成，余小梅

(電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點實驗室(西華大學(xué))，四川 成都610039)