摘 要

近些年来，随着模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，MMC）在柔性直流输电领域的成功应用，MMC及其控制技术已经成为高压大功率电力应用领域的研究热点之一。本文以MMC为研究对象，分析了其拓扑结构及工作原理，并主要围绕基于最近电平逼近调制（Nearest Level Modulation，NLM）的MMC控制技术进行了相关的分析和研究。在子模块数较少和子模块数较多两种场合下，分别对基于NLM的MMC控制提出了相应的改进方法。在子模块数较少的情况下，提出并分析了一种通过修改NLM取整函数来增加电平数的方法，这种方法使MMC产生的电平数从N 1提高到2N 1（N为每个桥臂的子模块数），从而提高了输出波形的质量，减小了谐波含量；在子模块数较多的情况下，提出并分析了一种NLM方式下的改进的电容电压均衡控制方法，尽可能的避免子模块IGBT不必要的开关动作，降低了的开关频率。对上述两种改进方法均在MATLAB/Simulink仿真软件下进行了仿真，验证了其有效性。

关键词：模块化多电平变流器（MMC）；最近电平逼近调制（NLM）；电平数；电容电压均衡控制

Abstract

In recent years, with the successful application of the modular multilevel converter (MMC) in the field of flexible HVDC, MMC and its control strategies has become one of the hot spots in the field of high-voltage and high-power applications. In this paper, MMC is considered as the research object, and the topological structure and working principle of MMC are analyzed. And this paper mainly analyzes and studies the MMC control based on the nearest level modulation (NLM).In the case of a large number of submodules and a small number of submodules,the corresponding improved method of MMC control based on NLM is presented respectively. In the case of a small number of submodules, a method of increasing the number of levels by modifying the NLM rounding function is proposed and analyzed. This method increases the number of levels of MMC from N 1 to 2N 1 (N is the number of submodules per arm), which effectively increases the quality of output waveform and reduces harmonic content. In the case of a large number of submodules, an improved capacitance voltage equalization control method in NLM is proposed and analyzed, and the switching frequency of the IGBT is effectively reduced by avoiding unnecessary switching action as much as possible. The two improved methods are simulated under MATLAB / Simulink simulation software to verify its effectiveness.

Key Words：modular multilevel converter (MMC)；nearest level modulation (NLM)；the number of levels；capacitance voltage equalization control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究意义及背景 1

1.2 MMC的技术特点 2

1.3 MMC的国内外研究现状 3

1.4 本文的主要工作 3

第2章 MMC的拓扑结构与工作原理 5

2.1 三相MMC的拓扑结构 5

2.2 子模块的拓扑结构和工作原理 6

2.3 MMC的原理分析 8

第3章 基于最近电平逼近调制（NLM）的MMC控制技术研究 12

3.1 常见MMC调制方式的简介和比较 12

3.2 NLM的原理分析 13

3.3 基于NLM的MMC电容电压均衡控制的研究 15

3.4 基于NLM的MMC控制存在的不足 16

第4章 基于NLM的MMC控制技术的改进 18

4.1 子模块数较少的情况下的改进 18

4.1.1 改进的思路及方法 18

4.1.2 仿真验证 20

4.2 子模块数较多的情况下的改进 22

4.2.1 改进的思路及方法 22

4.2.2 仿真验证 24

第5章 总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 展望 29

参考文献 30

附录A MATLAB仿真程序源代码 32

附A1 改进的NLM取整函数 32

附A2 改进的电容电压均衡控制 32

致谢 38

第1章 绪论

1.1 课题研究意义及背景

目前，高压大功率电力电子设备在高压直流输电（HVDC）、中高压电机驱动、电能质量治理等工业生产领域都被广泛使用。全控型电力电子器件在性能上的不断提高促进了基于电压源换流器高压大功率技术的迅速发展。传统的两电平电压源型换流器应用于高压大功率的情况下，为提高换流器容量和系统电压等级，每个桥臂由多个全控型电力电子器件及与其反并联的二极管的组合相互串联构成^[1]。然而两电平换流器只有两个电平，输出电压波形较差，需要采用高频的PWM触发脉冲来改善输出电压波形，因为开关频率很高，要求所有的串联开关器件必须在极短时间实现同时开通或关断，因此对开关器件的开关一致性和性能的均衡提出了更高的要求，另一方面，高频PWM方式也导致了较高的开关频率，增大换流器的开关损耗^[2]。

随着电力电子技术这些年的高速发展，多电平换流器的相关研究已经成为了高压大功率电力应用领域的研究热点之一^[3]。多电平换流器的输出电平数大于或等于三，较两电平换流器而言，多电平换流器由于其输出电平数较多，输出波形谐波性能好，无需体积庞大的滤波器组，占地面积较小，功率器件开关频率较低，换流器开关损耗小等优势，特别适合于高压大功率应用场合。根据多电平产生机制的不同，目前主流的电压型多电平换流器拓扑可分为三类：