17级模块化多电平变流器（MMC）研究（Simulink仿真实现）

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输出电平数量直接决定系统综合性能。电平数目较低时输出阶梯波形与正弦波形差距较大谐波畸变率偏高对交流滤波器要求较高电平数目过高会造成子模块数量激增硬件成本、检测采样通道数量、控制系统运算负担显著上升子模块均压控制难度增大装置体积与维护成本随之增加。17 级 MMC 每相可以输出 17 档电压台阶波形逼近正弦波形谐波水平大幅降低同时不会引入过多子模块兼顾电能质量与硬件成本在中压大功率场景具备很高实用价值。目前针对超高电平 MMC 研究较多但针对 17 级这一中间电平规格的运行特性、控制适配性、故障行为的专项分析相对有限因此开展 17 级 MMC 的系统性研究具有实际工程意义。2 17 级 MMC 拓扑结构与运行机理17 级三相模块化多电平变流器整体结构延续经典 MMC 三相六桥臂架构每一相分为上桥臂与下桥臂每个桥臂由若干子模块与桥臂电抗器串联组成桥臂电抗器承担抑制内部环流、限制故障短路电流、平滑桥臂电流的多重作用。子模块普遍采用半桥结构由全控开关器件、反并联二极管与储能电容构成子模块具备投入、切除、闭锁三种工作状态。通过改变桥臂内部投入运行的子模块数量桥臂输出电压可以实现多档位调节上下桥臂电压做差值运算即可得到多电平的相电压输出17 级输出意味着相电压可以生成 17 种不同电压台阶形成阶梯式电压波形。从电平生成机理来看17 电平依靠桥臂子模块的不同投切组合实现。直流母线电压由全部投入子模块的电容电压共同支撑子模块电容作为储能单元在运行过程中完成能量吞吐。电能可以实现双向流动既可以完成直流向交流的逆变工作模式也可以实现交流向直流的整流模式适配整流‑逆变双向变换的应用需求。相较于低电平 MMC17 级 MMC 输出电压阶梯更多电压变化速率更加平缓开关器件承受的电压变化应力得到缓解电磁干扰水平更低对交流侧滤波装置的需求明显降低。对比更高电平规格的 MMC17 级架构子模块数量适中采样检测点数、驱动回路数量不会过度膨胀控制器运算压力可控硬件成本与后期运维工作量更加友好适合中压、中等容量的工程场景兼顾性能与经济性。3 17 级 MMC 调制策略对比分析调制策略决定子模块投切逻辑直接影响 17 级 MMC 输出波形质量、器件开关损耗、子模块电容电压波动是系统运行的基础环节主流方案包含最近电平逼近调制、载波移相调制两大类二者在 17 电平场景下具备不同适配特征。最近电平逼近调制依靠取整逻辑选择桥臂投入子模块数目用最接近参考电压的电平台阶跟踪正弦参考波形。该调制方式不需要高频载波运算计算量小开关频率较低器件开关损耗小非常适合电平数目较多的 MMC。对于 17 级 MMC电平台阶密度已经较高最近电平调制输出波形畸变程度可以控制在较低水平。该方案缺点在于输出电压存在固有的阶梯误差会产生特定的谐波分量需要配合电压均衡策略完成子模块排序投切在调制深度较低工况下波形质量会出现一定程度下降。载波移相调制将多路相位错开的三角载波与同一正弦参考波形做对比生成各个子模块的驱动脉冲。载波相位按照子模块数量均匀偏移各个子模块的开关动作相互错开输出波形等效开关频率得到倍增。在 17 级 MMC 中载波移相调制可以获得更优异的谐波抑制效果输出电压总谐波畸变更低低调制比工况波形表现优于最近电平调制。但该策略下器件实际开关频率更高系统开关损耗增加同时对载波同步、脉冲分配逻辑提出更高要求控制系统负担更大。两种调制方案没有绝对优劣工程中需要结合实际需求取舍。对装置运行效率要求高、侧重降低开关损耗的场合优先选用最近电平逼近调制对电能质量指标要求严苛、可以接受一定损耗提升的场景可以采用载波移相调制。同时两种调制策略均不能独立完成子模块电压均衡必须搭配专门的均压控制环节保证各个子模块电容电压维持在允许工作区间内。4 17 级 MMC 核心控制技术4.1 子模块电容电压均衡控制子模块电容电压均衡是保障 17 级 MMC 安全稳定运行的关键。在实际运行过程中各个子模块充放电时间存在差异器件导通损耗不一致会造成桥臂内部不同子模块电容电压出现离散偏移。如果不加干预部分子模块电压持续走高发生过压另一部分子模块电压持续跌落欠压直接造成输出电平错乱威胁开关器件安全甚至引发装置跳闸退出运行。17 级 MMC 桥臂子模块数目较多子模块电压均衡算法的运算量、投切选择逻辑会直接影响控制器实时性能。基于排序的均压方法应用最为广泛该方法实时采集全部子模块电容电压结合桥臂电流方向判断电容处于充电还是放电状态根据电压排序结果优先选择电压偏高或者偏低的子模块投入或者切除实现各个电容电压向额定值收敛。该方法逻辑清晰均衡效果可靠但桥臂子模块数量越多排序运算耗时越高。对于 17 级 MMC桥臂子模块数量处于中等规模排序运算对控制器的压力在可接受范围。除排序法之外也可以结合调制脉冲轮换的均衡思路在调制过程轮换子模块的工作时间使各个子模块获得均等的充放电机会减少电压离散。该方案不需要频繁做全量排序计算开销更低但电压动态调节能力弱于排序法适合负载波动平缓的工况。在实际工程中经常采用混合思路稳态工况依靠脉冲轮换电压偏差超出阈值时启用排序策略做快速校正兼顾运算负担与均衡性能。4.2 桥臂环流抑制MMC 内部存在相单元之间的环流分量环流不会出现在交流输出端口而是在三相桥臂构成的内部回路流动。环流会增大桥臂电流有效值加剧开关器件与电容的发热损耗抬高器件温升加剧电容电压波动降低装置运行效率严重时会干扰系统稳定工作因此环流抑制必不可少。环流主要以二倍频交流分量为主17 级 MMC 的电平提升本身无法消除内部环流必须依靠控制手段进行抑制。桥臂电抗器可以对环流起到一定被动抑制效果但单纯依靠电感无法充分消除环流需要配合闭环控制策略。传统方案在旋转坐标系下提取环流分量通过闭环控制器生成修正电压参考叠加到桥臂电压指令上抵消环流激励。此外重复控制、自抗扰控制等先进控制方法也被用于环流抑制可以在负载大范围变化、电网电压存在畸变的工况下取得更好抑制效果。对于 17 级 MMC环流抑制与电容均压控制存在相互耦合关系。环流大小改变桥臂电流直接改变子模块电容充放电过程会影响电压均衡效果而子模块电压不均衡又会反向激励环流因此在控制系统设计时需要协调环流抑制环与子模块均压环节避免两个控制回路相互冲突引发系统振荡。4.3 系统功率外环与电流内环控制17 级 MMC 的上层控制普遍采用双闭环架构。外环实现系统级目标根据应用场景不同完成直流电压稳定控制或者有功、无功功率指令跟踪内环实现交流侧电流的快速跟踪抑制电网扰动带来的电流波动。外环输出作为内环的电流参考指令内环快速跟踪参考电流实现对有功与无功的解耦调节。整套控制架构保证变流器可以适配电网电压波动、负载突变等外部扰动保障 17 级 MMC 输出稳定可控。5 系统工况特性分析5.1 稳态运行特性在额定稳态工况下17 级 MMC 输出 17 阶梯电压波形谐波含量相比低电平 MMC 显著下降桥臂环流被控制在较小范围子模块电容电压维持在额定值附近小幅波动。子模块电容电压存在固有的二倍频脉动该脉动属于 MMC 固有物理特性无法完全消除电容参数选型需要把该脉动纳入考量。输出电压谐波主要集中在少数特定频次谐波分布相对集中便于交流侧滤波器设计。器件开关应力低装置整体运行损耗处于合理区间。当负载从轻载切换到重载或者调制深度发生改变时子模块电容电压波动幅度会随之变化控制系统需要具备足够调节裕度保证全工作区间稳定。5.2 子模块故障工况特性模块化架构赋予 MMC 一定故障容错能力。当 17 级 MMC 内部某一个子模块发生器件损坏、电容故障时保护系统可以将故障子模块旁路退出工作。故障子模块被旁路之后该桥臂可用子模块数目减少系统能够输出的最大电平台阶数量下降装置的最大调制能力受到限制。如果没有配置冗余子模块故障发生之后 17 电平输出能力会降级最高输出电压下降此时需要对系统运行区间进行限制降低有功或者无功输出避免进入过调制状态防止波形严重畸变。如果硬件配置冗余子模块故障旁路之后可以投入备用子模块恢复完整 17 电平输出能力系统性能不受损失但是会增加硬件投入。工程中需要权衡可靠性需求与成本选择是否配置冗余子模块。故障发生瞬间会带来桥臂电压突变会短时激起环流与电流冲击控制与保护系统需要快速响应抑制故障带来的暂态冲击防止故障扩散。5.3 直流侧扰动工况特性直流母线电压发生波动时17 级 MMC 内部子模块电容电压、桥臂电流都会产生动态响应。当发生直流短路故障桥臂电抗器可以起到限制故障电流上升速率的作用给保护装置争取动作窗口。半桥子模块架构本身不具备直流故障电流阻断能力直流短路发生之后故障电流持续流通需要依靠交流断路器、直流断路器动作清除故障或者采用具备直流故障阻断能力的新型子模块拓扑。在直流电压跌落、抬升这类非故障扰动下外环控制快速调节交流侧功率维持系统运行稳定但扰动会传递到子模块电容造成电压波动对均压控制器动态响应速度提出要求。6 现存技术挑战17 级 MMC 虽然综合性能优异但工程应用依旧存在多项待解决的技术难题。第一是多目标控制耦合问题电容电压均衡、环流抑制、功率电流控制之间相互耦合负载剧烈变化、电网畸变条件下多个控制环路参数整定难度较大参数适配不当容易出现动态震荡。第二是子模块监测与运维压力。尽管 17 级子模块数量远低于特高压 MMC但依旧有大量电容、开关器件电容老化、器件劣化会逐步引发电压失衡。在线状态监测难度较高如何实现子模块故障早期识别预警提升装置运维便利性是现实难题。第三是损耗优化问题。不同调制策略下开关损耗与导通损耗分布差异明显17 电平下如何结合工况动态选择调制策略实现全负载范围损耗最优还有进一步优化空间。第四是故障穿越能力。传统半桥子模块无法清除直流短路故障依靠直流断路器会抬高系统造价采用新型子模块拓扑虽然获得直流故障阻断能力但会增加器件数量、提升损耗需要在成本、损耗、故障能力之间做权衡。7 应用场景分析17 级 MMC 凭借中等电平、低谐波、可双向功率流动的特点适配多类中压大功率场景。在中压柔性直流配电网中作为换流站实现不同直流电压等级互联完成交直流之间能量转换在风电、光伏新能源集中并网场景高质量输出波形可以降低对电网的谐波污染提升新能源并网稳定性。在无功补偿装置中17 级 MMC 型静止无功发生器可以快速连续调节无功功率支撑电网电压稳定谐波输出小滤波器体积更小。在船舶、矿山等中压直流供电系统用于大功率整流逆变变换适配特殊工业供电需求。同时也可以作为大功率电机驱动装置驱动中压大功率电机降低电机端电压变化率减轻电机绝缘承受的应力。8 总结与展望本文针对 17 级模块化多电平变流器开展研究阐述拓扑架构与电平生成原理对比不同调制策略在 17 电平场景下的优缺点分析电容电压均衡、环流抑制等核心控制技术研究稳态、子模块故障、直流扰动下系统运行行为梳理当前技术挑战与典型应用方向。17 级 MMC 在谐波性能、硬件成本、控制复杂度之间取得良好平衡在中压电力变换领域拥有很高实用价值。后续的研究可以从几个方向开展。第一研究解耦控制算法弱化均压、环流、功率控制之间的耦合效应提升系统在扰动下的动态性能第二研究轻量化故障容错控制策略子模块故障后在不配置大量冗余硬件前提下优化降级运行策略最大化装置输出能力第三结合人工智能算法实现控制器参数自适应整定提升变流器对复杂电网、波动负载的适应能力第四开展新型子模块拓扑研究兼顾故障阻断能力、器件损耗与硬件成本进一步拓展 17 级 MMC 的工程适用边界。随着电力电子器件与控制技术持续迭代17 级 MMC 会在中压柔性电力系统中发挥更加重要的作用。第二部分——运行结果第三部分——参考文献文章中一些内容引自网络会注明出处或引用为参考文献难免有未尽之处如有不妥请随时联系删除。(文章内容仅供参考具体效果以运行结果为准)[1]董文杰,张兴,刘芳,等.模块化多电平变流器均压策略研究[J].电力电子技术, 2012, 46(2):3.DOI:10.3969/j.issn.1000-100X.2012.02.025.[2]申斐斐.模块化多电平变流器控制系统的研究[D].浙江大学,2012.[3]姜廷阳.模块化多电平变流器的研究[D].冶金自动化研究设计院,2011.​​​​​​第四部分——本文完整资源下载资料获取更多粉丝福利MATLAB|Simulink|Python|数据|文档等完整资源获取本文完整资源下载