摘 要

随着现代电力电子器件以及新能源发电技术的高速发展，模块化多电平逆变器（MMC）正在应用于各种高压大功率发电系统中，模块化多电平逆变器更能适应市场的需求，因为其相较于其他多电平的逆变器来说容错率高，控制效果好，性价比高，同时相对传统多电平逆变器又有输出电压稳定，谐波少等优点。为了适应模块化多电平逆变器的快速发展，载波移相脉冲调制策略同时快速完善，因为其输出质量有了显著的提升，其中的谐波含量相对减少。

本文从模块化多电平逆变器的研究现状出发，分析模块化多电平逆变器的拓扑结构。利用从整体到单元的思想，探究了子模块的工作原理，拓扑结构和工作模式等，为调制策略的提出提供基础理论依据。再结合MMC的工作原理，引出本文采用的载波移相脉冲调制策略和子模块电容的电压平衡控制策略。

通过分析载波移相脉冲调制策略的原理，配合子模块电压均衡控制，设计出完整的仿真设计模型。使用Simulink进行模型搭建和仿真，采用整体模块化设计，将控制模块与主电路分开，最后相互连接起来进行仿真，选取合适的参数带入系统中，观察交流测的输出波形和子模块电容电压波形进行分析。

最后，通过波形分析的仿真结果得出较为理想符合期望的波形，验证了基于载波移相脉冲调制的三相模块化多电平逆变器系统的可行性及稳定性，该仿真模拟对大功率高压的工业实际场合具有一定的参考价值，促进了有关多电平变流器方向的研究与建设。

关键词：模块化多电平逆变器；载波移相调制策略；子模块电容电压；电压平衡控制策略

Abstract

With the rapid development of modern power electronic devices and new energy power generation technology, modular multilevel converter (MMC) is being applied to various high-voltage and high-power generation systems. Modular multilevel converters can better adapt to market demand, because compared with other multilevel inverters, it has high fault tolerance, good control effect and high cost performance.At the same time, the traditional multilevel inverter has the advantages of stable output voltage and less harmonic. In order to adapt to the rapid development of modular multilevel inverter, the carrier phase shifted pulse modulation strategy is improved at the same time, because the output quality has been significantly improved, and the harmonic content is relatively reduced.

Starting from the current research status of modular multilevel converter, the topology of modular multilevel inverter is analyzed. The working principle, topology and working mode of the sub module are explored from the idea of the whole to the unit, which provides the rationale for the modulation strategy. Combined with the working principle of Modular Multilevel Converter,The carrier phase shifted pulse modulation strategy and voltage balancing control strategy of sub module capacitor are presented.

By analyzing the principle of carrier phase shifting pulse modulation strategy and matching sub module voltage balancing control, a complete simulation design model is designed. Using Simulink to model and simulate, the whole module is designed to separate the control module from the main circuit, and finally connect to each other for simulation, and select the appropriate parameters to bring into the system.Observe the output waveform of the AC measurement and the voltage waveform of the sub module capacitor.

Finally, through waveform analysis and simulation results, the ideal and desirable waveform is obtained. The feasibility and stability of the three-phase modular multilevel converter system based on carrier phase shifted pulse modulation are verified. The simulation has certain reference value for the industrial occasions with high power and high voltage, and promotes the research and construction of the multi-level converter.

Key Words: Modular Multilevel Converter; Carrier Phase Shifted-PWM strategy; sub module capacitor; Voltage Balancing Control strategy

目录

摘要

第1章 绪论 1

1.1论文背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 多电平逆变器的拓扑结构 2

1.2.2 模块化多电平变换器调制策略的研究现状 6

1.3 论文主要内容与章节安排 6

1.3.1 论文主要内容 6

1.3.2 论文章节安排 7

第2章 模块化多电平逆变器的原理分析 8

2.1 模块化多电平逆变器的拓扑结构 8

2.2 子模块工作原理 9

2.3 三相模块化多电平逆变器原理 12

2.4 本章小结 14

第3章 模块化多电平逆变器调制策略原理 15

3.1 电容电压均衡控制 15

3.2 最近电平逼近调制策略 17

3.3 载波移相调制策略 19

3.4 本章小结 21

第4章 三相模块化多电平逆变器仿真设计 22

4.1 三相多电平模块化逆变器整体设计 22

4.2 三相多电平模块化逆变器主电路仿真设计 22

4.3 子模块的仿真设计 24

4.4 上下桥臂模块仿真设计 25

4.5 控制模块仿真设计 26

4.5.1 a相控制模块 26

4.5.2 a相上桥臂控制模块 27

4.6 本章小结 29

第5章 仿真结果分析 30

5.1 三相电压仿真结果分析 31

5.2 三相电流仿真结果分析 33

5.3 子模块电容电压仿真结果 35

5.4 本章小结 39

第6章 总结与展望 40

6.1 总结 40

6.2 展望 41

参考文献 42

致谢 44

第1章 绪论

1.1论文背景及意义

当今科学技术日新月异，工业化的进程在世界范围内不断加速，持续上涨的经济形势，导致能源消耗量年年增长，环境污染问题变得日益突出。化石燃料大量的燃烧，从而导致更多的温室气体排放到大气中，最直接的影响就是全球气温变暖，更重要的是化石燃料等不可再生能源己经日渐枯竭，所以上世纪七十年代，我国提出了可持续发展战略理论，旨在提高新能源的开发与运用和减小对化石燃料的依赖。1970年左右的石油危机爆发后，各国都意识到只有开发新能源才能够在日后不被能源危机所限制。所以在环境问题和能源问题等多方面的压力下，绿色的工业与生活模式就会被更多的提倡，从而新能源的开发得到了各国政府的重视^[1]。

2018年中国政府在世界环境保护大会中提出要加强新能源的开发与运用，开发新能源才能在长久的未来使中国的能源不受制于人，旨在完成中国的科技强国战略。其中总理重点强调了要提高新能源的开发与运用进程，推动可再生能源设备，先进储能设备，高压直流输电(HVDC)等技术的发展，以使我国在新能源行业立足世界前列^[2]。

在新能源如火如茶发展的今天，国内各大公司厂商也作出不懈的努力。变流器作为新能源行业的核心装置，同时也是电网与新能源连接的重要桥梁，所以国内对变流器的研究十分火热。变流器是能量转换的一种设备，在电力电子等诸多的领域得到了广泛的应用:新能源汽车用的永磁同步电机(PMSM)，变流器在将车载电池的直流电压转换成电机需要的交流电压，并且交流电压频率赋值可调。在高压直流输电领域(HVDC)，运用较多的是模块化多电平逆变器(MMC)，这种变流器适合高压场合，可以减小电压与电流谐波，降低传输损耗。在光伏并网领域，变流器将太阳能电池板输出的直流电压转换成与电网同幅同频同相的交流电压。同事还可以优化输出的电能质量。除以上应用之外，变流器还应用在风力发电领域，有源电力滤波器(APF)，静止无功发生器(SVG ) ,磁悬浮式列车，制动能量回收等诸多领域^[3]。

新能源发电的效率，发电质量等性能是变流器工作性能的具体体现，这也是当代学者的主要的研究方向与话题。对变流器输出电能质量产生影响的因素有很多，变流器的调制策略就很大程度影响着电能输出质量。调制策略多种多样，现在学术界与工业界常用的是脉冲宽度调制策略，最近电平逼近调制策略。电力电子领域的调制策略对变换器的输出性能有很重要的影响。在PWM调制策略中，有分为多种调制策略，如载波移相调制策略(CPS-PWM)，载波层叠调制策略 (PD-PWM)，这两种调制策略都是基于载波比较的思想，而最近电平逼近策略则是以阶梯波的形式使输出电平逼近调制波，所以电平数越多，波形质量越好^[4]。高压场合下，模块化多电平逆变器(MMC)在控制和容错方面的优点十分突出，所以MMC的调制及控制策略都己称为工业场合的研究热点。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 多电平逆变器的拓扑结构

根据以上分析我们可以知道，模块化多电平逆变器对新能源领域的重要意义，其调制策略和相关控制策略作为其核心技术，相关研究就十分重要。

对于一般的应用场景，市场上两电平逆变器较为常见是因为其简单的功率回路拓扑以及控制策略，但是对于高压大功率等场合，两电平逆变器所需要的滤波器和储能电容体积庞大，效率低下，性价比变的很低。所以对于像柔性直流输电等工业场景，两电平逆变器应用很少。

多电平逆变器具有输出电流谐波小，开关频率低，器件应力小等优点，在高压大功率等场合得到了广泛的应用和研究。电力系统中无功补偿和高压直流输电以及高压电机的变频调速是多电平逆变器的主要应用场景。如图1.1所示，将介绍几种逆变器的拓扑结构。

图1.1 多电平变流器三种拓扑结构

1. 如图1.1a所示，该逆变器利用二极管钳位特性对输出电平进行整理，运行过程中可以依据实际的需要选择适合的功率模块，这种拓扑在三，五电平的拓扑中应用较多。然而这种逆变器在应对期望输出更高的电平时，控制算法也随之复杂起来，并且电平数量逐渐增多，用于钳位功能的二极管的数目随着电平数加多，从未导致成本上升，其经济性降低。并且钳位型不易于拓展，所以大功率高压的场合一般不倾向于选择二极管钳位型的拓扑结构。
2. 如图1.1b所示，该逆变器为飞跨电容型多电平逆变器。其中，电容起到了分压的作用，通过电容把直流侧的电容电压来分成几个不同电压，从而输出不相同的多个电平，该结构实现功能的关键点是电容的耐压值与容量。同样的，在大功率高压的场合，飞跨电容型的控制也相对繁琐复杂起来，不易于拓展，故在工业场合下该拓扑的结构应用也较少。
3. 如图1.1c所示，该拓扑结构同理利用了二极管的钳位功能对直流侧的电容电压进行钳位。该拓扑结构与飞跨电容型和二极管钳位型相对比，虽然使用数量较少的二极管与功率开关器件，然而该拓扑随着电平数量增多，其拓展也会显得较为僵硬，故在大功率高压的场合不倾向于选择该拓扑结构。
4. 针对大功率高压的工业场合，以上所述的三种拓扑均不适用，相比之下，模块化多电平逆变器（MMC）更适合高压大功率的工作条件。其常见的拓扑结构如图1.2所示。

图1.2 常见模块化多电平逆变器的拓扑结构

MMC(模块化多电平逆变器)的概念最早由德国的R.Marquatr和A.Lesnicar提出。其前提是所有子模块的电容电压平衡，根据其特性改变每一个子模块（使用IGBT）的开关状态，改变上下桥臂中投入的子模块的数量，最后每个子模块的输出叠加起来，即能够得出所期望的波形。模块化多电平逆变器相较于两电平，三电平或者多电平变流器，其采用的是阶梯波的方式来逼近正弦波，不同于两电平或多电平逆变器使用脉冲宽度调制。

一般而言MMC的子模块拥有两种拓扑结构，一种为半桥子模块，另一种为全桥子模块。实际工程的经验得出：MMC系统中的子模块通常选用半桥子模块（如图1.3a）。这是因为半桥子模块控制起来更加方便，要求的开关器件数量较少，故MMC系统中的子模块一般选择使用半桥子模块。两种子模块结构如图1.3所示。