模块化多电平变流器的控制架构设计

模块化多电平电压源换流器的数学模型
随着电力系统的发展和电力需求的增加，高电压直流（HVDC）传输系统被广泛应用，以解决传统交流输电系统存在的一些问题。

在HVDC系统中，多电平电压源换流器（MMC）是一种非常有效的换流器拓扑结构，能够实现高效能量转换和电压调节。

为了实现对MMC的控制和优化，需要建立一个准确的数学模型来描述其动态特性。

MMC的数学模型通常基于电路等效原理和电压源等模型。

以下是一个简化的MMC数学模型。

首先，MMC的主要组成部分是直流电压源和一组电容和电感组成的分别与直流电压源并联和串联的二极管和开关单元。

根据电路等效原理，可以将MMC模型化简为一个等效的电路网络。

其次，MMC的数学模型需要考虑到其动态特性，包括电压和电流的响应速度、能量损耗和功率因素等。

这需要考虑到电容和电感元件的动态特性以及开关单元的工作方式。

通过适当的参数选择和数学建模，可以准确地描述MMC的动态响应。

最后，MMC的数学模型还需要考虑到控制策略和控制算法。

MMC的控制策略包括电压控制、电流控制和功率控制等，其中电压控制是MMC的关键功能之一。

通过设计合适的控制算法，可以实现MMC的
稳定工作和有效能量转换。

总之，模块化多电平电压源换流器的数学模型是描述其动态特性和控制策略的基础。

通过准确的数学模型，可以实现对MMC系统的控制和优化，提高电力系统的稳定性和效率。

第50卷第1期电力系统保护与控制Vol.50 No.1 2022年1月1日Power System Protection and Control Jan. 1, 2022 DOI: 10.19783/ki.pspc.201639新型模块化多电平换流器的设计与应用于 飞，王子豪，刘喜梅(青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266061)摘要：随着电力系统电压等级的不断升高，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)桥臂中串联的子模块数量增多，硬件成本升高，制约了其在直流输电系统中的发展。

针对这些问题，通过分析多电平换流器和现有的阶调式模块化多电平变换器(Gradationally Controlled Modular Multilevel Converter, GC-MMC)的工作原理，提出了一种新型的换流器。

为了解决新型逆变器的电容电压平衡问题，提出了一种适用于新型逆变器的新型稳压算法。

最后在Matlab/Simulink环境下搭建了双端标幺值控制的柔性直流输电系统，将新型逆变器应用于系统中进行了验证。

仿真结果表明，新型换流器输出电平数量比普通MMC多，输出交流侧和直流侧的波形质量达到直流输电要求。

通过对新型逆变器和普通MMC分别进行成本计算，结果表明新型逆变器的建设成本大大少于普通MMC。

关键词：模块化多电平换流器；阶调式多电平逆变器；阶调式模块化多电平变换器；电容电压平衡算法A gradationally controlled modular multilevel converter and its applicationYU Fei, W ANG Zihao, LIU Ximei(College of Automation & Electric Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266061, China)Abstract: With the increasing voltage level of power systems, the number of serial sub-modules in the bridge arm of a modular multilevel converter (MMC) increases, and the hardware costs increase. This restricts its development in the direct current transmission system. In order to solve these problems, a new type of converter is proposed by analyzing the working principle of a multi-level converter and the existing gradationally controlled modular multilevel converter (GC-MMC). In order to solve the problem of capacitor voltage balance of the new inverter, a new voltage regulation algorithm suitable for the new inverter is proposed. Finally, in the Matlab/Simulink environment, a flexible HVDC transmission system based on the new inverter's double-terminal SCM unit value control is built and verified. The simulation results show that the output level of the new converter is more than that of the common MMC, and the quality of the waveform of the output AC and DC side can meet the requirements of DC transmission. Through the cost calculation of the new inverter and the common MMC respectively, the results show that the construction cost of the new inverter is much less than the common MMC.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61803219).Key words: MMC; gradationally controlled multi-level inverter; GC-MMC; capacitor voltage balancing controlled algorithm0 引言随着电力系统的不断发展，电力系统的规模也在不断扩大，直流输电[1-3]已经成为我国电力输电的重要组成部分。

《模块组合多电平变换器（MMC）研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，模块组合多电平变换器（MMC）作为一种新型的电力变换装置，在高压直流输电、柔性交流输电系统以及新能源并网等领域得到了广泛的应用。

MMC 以其高可靠性、高效率、高灵活性的特点，成为了现代电力电子技术研究的热点。

本文旨在探讨MMC的原理、控制策略、运行特性及其在电力系统中的应用。

二、MMC的基本原理与结构MMC是一种基于模块化结构的电压源型多电平变换器，其基本原理是将多个子模块（SM）串联起来组成一个完整的变换器，每个子模块包括一个电力电子开关（如IGBT）和一个与其反向并联的二极管，以及相应的储能电容和电阻。

这种结构使得MMC具有较高的耐压能力，并可以输出多个电平的电压。

MMC的结构包括上下桥臂，通过控制上下桥臂中子模块的导通与关断，实现AC/DC和DC/AC的转换。

其特点是子模块数目多，控制复杂度高，但灵活性好，适用于高压大功率场合。

三、MMC的控制策略MMC的控制策略主要包括子模块的投入与切除控制、环流抑制控制以及谐波消除控制等。

子模块的投入与切除控制决定了MMC的输出电压，而环流抑制控制和谐波消除控制则保证了MMC的稳定运行和输出波形的质量。

近年来，随着数字信号处理技术的发展，MMC的控制策略也在不断优化。

例如，基于模型预测控制的MMC控制策略能够更好地实现多目标优化控制，提高系统的动态性能和稳态性能。

此外，基于人工智能算法的控制策略也在MMC中得到了应用，如模糊控制、神经网络控制等，这些算法能够根据系统运行状态实时调整控制参数，提高系统的自适应性。

四、MMC的运行特性与优势MMC的运行特性主要包括高可靠性、高效率、高灵活性等。

由于其模块化结构，当某个子模块出现故障时，可以通过切换冗余子模块来保证系统的正常运行，因此具有较高的可靠性。

此外，MMC的输出电压可以调节为多个电平，使得谐波分量减少，提高了系统的效率。

同时，通过灵活调整子模块的投入与切除，可以实现快速响应和精确控制。

MMC，全称为模块化多电平换流器（modular-multilevel-converter，MMC），是一种新型的电力电子设备。

它具有模块化的结构，可以灵活地扩展以适应不同的电力需求。

以下是MMC的模块类型和控制原理：
1. 模块类型：
MMC的模块类型主要包括以下几种：
* 半桥模块：这是最基本的模块类型，它由两个IGBT和一个二极管组成。

半桥模块可以单独控制，实现电压的快速调节。

* 全桥模块：全桥模块由四个IGBT和两个二极管组成，可以实现更高的电压输出和更快的开关速度。

* 多电平模块：多电平模块由多个半桥或全桥模块串联而成，可以实现多电平输出，从而减小电压输出波形的畸变。

2. 控制原理：
MMC的控制原理主要基于脉冲宽度调制（PWM）技术。

控制系统根据所需的输出电压和电流来生成相应的PWM波形，然后通过控制每个模块的开关状态来调节输出电压和电流。

MMC的主要控制方式包括：
* 直接电流控制：通过控制每个模块的电流来实现对输出电流的控制。

这种方式具有快速的动态响应和较高的精度。

* 间接电压控制：通过调节MMC的输入电压来间接控制输出电压。

这种方式适用于对电压控制精度要求较高的场合。

* 混合控制：将直接电流控制和间接电压控制相结合，以实现更好
的控制效果。

这种方式可以根据实际需求进行灵活配置。

在实际应用中，MMC可以通过增加或减少模块的数量来实现输出电压的调节。

由于MMC具有模块化的结构，因此其扩展和维护都相对较为方便。

此外，MMC还具有较低的开关损耗和较高的效率，因此在风电、光伏等新能源领域得到了广泛的应用。

文章编号：１００４－２８９Ｘ（２０２０）０６－００３２－０５模块化多电平换流器改进简化模型及分析张?一１，陈和洋２，罗赫平１（１．福州大学电气工程与自动化学院，福建　福州　３５０１０８；２ 国网龙岩供电公司，福建　龙岩　３６４０００）摘　要：模块化多电平换流器（ＭＭＣ）在电平数较多情况下采用等效模型进行电磁暂态仿真对解决仿真效率低问题具重要意义。

实际子模块中存在均压电阻，现有建模方法往往对其进行忽略，本文对含均压电阻的受控源桥臂等效模型建模进行改进简化，进一步提高ＭＭＣ受控源等效模型仿真的精度和效率。

方法通过对ＭＭＣ子模块开关器件以开关状态形式进行简化，基于递推Ｄｏｍｍｅｌ等值计算方法，降低子模块电容电压更新计算复杂度进而提高仿真效率。

并在ＰＳＣＡＤ软件进行仿真分析两种常见详细等值模型，为ＭＭＣ模型选取提供选择依据。

关键词：模块化多电平换流器；受控源等效模型；电磁暂态仿真中图分类号：ＴＭ７２ 文献标识码：ＢＩｍｐｒｏｖｅｄＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＭｏｄｅｌａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒＺＨＡＮＧＸｕａｎ ｙｉ１，ＣＨＥＮＨｅ ｙａｎｇ２，ＬＵＯＨｅ ｐｉｎｇ１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＧｒｉｄＬｏｎｇｙａｎＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｌｏｎｇｙａｎ３５０００７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉ ｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＭＭＣ）ａｄｏｐｔａｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｈｅｎｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｌｅｖｅｌｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅｖｏｌｔ ａｇｅ ｓｈａｒｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｅｘｉｓｔｓｉｎｔｈｅａｃｔｕａｌｓｕｂｍｏｄｕｌｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｏｆｔｅｎｎｅｇｌｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｍｐｒｏｖｅｓａｎｄｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｏｕｒｃｅｂｒｉｄｇｅａｒｍｗｉｔｈｖｏｌｔａｇｅ ｓｈａｒｉｎｇｒｅｓｉｓｔｏｒ，ａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅＭＭＣｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｏｕｒｃｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｔｈｅＭＭＣｓｕｂ ｍｏｄｕｌｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｃｕｒ ｓｉｖｅＤｏｍｍｅｌｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｂ ｍｏｄｕｌｅｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅｕｐｄａｔｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＩｎＰＳＣＡＤｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｗｏｃｏｍｍｏｎｄｅｔａｉｌｅｄｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｓａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｂａｓｉｓｆｏｒｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆＭＭＣｍｏｄｅｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｏｕｒｃｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ１　引言直流输电技术凭借着其适合远距离大容量传输的特点得到了广泛的推广和发展，是解决能源资源优化配置的有效方法之一。

mmc模块化多电平变换器原理嗨，小伙伴们！今天咱们来唠唠这个有点神秘又超级厉害的MMC模块化多电平变换器原理。

咱先想象一下，电就像一群调皮的小精灵，在电路里跑来跑去。

MMC呢，就像是一个超级智能的交通指挥员，要把这些小电精灵安排得明明白白的。

MMC是由好多好多小模块组成的，这些小模块就像是一个个小积木块。

每个小模块都有自己的小本事哦。

在MMC里，有上下两个桥臂，就像两座小拱桥一样。

每个桥臂呢，又由好多小模块串起来。

这些小模块里面都有啥呢？其实呀，主要就是电容和一些半导体开关器件。

电容就像是一个小水库，它可以储存电能呢。

当电精灵们跑来的时候，电容就可以把一部分电能先存起来，等需要的时候再放出去。

半导体开关器件就像是小闸门，它们可以控制电精灵们的进出路径。

那MMC是怎么把输入的电变成我们想要的电呢？这就很有趣啦。

当输入的电进入MMC的时候，通过控制那些小模块里的半导体开关器件，就可以改变每个小模块输出的电压。

比如说，有的小模块输出的电压高一点，有的低一点。

把这些不同电压的小模块串起来，就像把不同高度的小台阶连起来一样，就可以得到我们想要的那种有很多电平的电压输出啦。

就好像我们搭积木，每个小积木块的高度不一样，我们按照一定的顺序把它们堆起来，就能搭出一个有各种不同高度层次的小塔。

MMC也是这个道理，通过调整每个小模块的输出电压，就能合成出各种各样的电压波形。

而且哦，MMC还有一个很厉害的地方。

它可以很好地控制输出电压的质量。

你想啊，如果输出的电压一会儿高一会儿低，波动得很厉害，那对我们的电器设备可不好啦。

但是MMC就像一个很细心的小管家，它可以让输出的电压很稳定，就像一条平静的小河，而不是那种波涛汹涌的大浪。

再说说这个电容的作用吧。

当电路里突然有一些小波动，就像小风吹过水面泛起的小涟漪一样，电容这个小水库就可以释放或者吸收一点电能，来把这些小波动给抚平。

这样一来，输出的电压就更加平滑、稳定啦。

MMC在很多地方都有大用处呢。

模块化多电平矩阵变换器参数设计模块化多电平矩阵变换器（Modular Multilevel Matrix Converter，简称MMC）是一种新型的电力电子转换器，它具有多电平输出、模块化设计、高效率、高频响应等特点。

在电力系统中，MMC可以用于直流输电、风能和太阳能发电系统、电动汽车充电系统等多个领域。

如何进行MMC的参数设计是一个重要的问题，本文将对该问题进行全面的讨论，以期对工程实践有一定的指导意义。

首先，MMC的参数设计需要考虑其工作频率和最大功率等级。

根据实际应用场景和系统要求，确定MMC的工作频率和最大功率等级是非常关键的。

工作频率高可使得MMC在电力转换过程中具有更快的响应速度和更好的控制性能，同时也会增加设备的损耗。

而最大功率等级则决定了MMC能够承载的负载大小，需要根据实际负载需求进行合理选择。

其次，MMC的电容模块参数设计是非常重要的一环。

MMC采用多电平输出方式，因此需要有足够的电容来存储电荷，以实现电力转换。

为了保证MMC的性能和稳定性，电容模块的参数设计需要满足一定的要求。

首先，电容的容量要足够大，以确保能够储存足够的电荷；其次，电容的电压等级应与MMC的输出电压等级相匹配，以保证电荷的平衡和稳定。

另外，MMC的开关器件参数设计也是非常重要的。

开关器件是MMC 的核心部件，其性能和参数的选择直接影响整个MMC系统的性能和效率。

对于MMC来说，开关器件的关键参数包括：开关频率、导通和关断电流能力、开关损耗等。

开关频率应根据MMC的工作频率和控制策略来确定，一般要求开关频率高，以提高系统的响应速度；导通和关断电流能力要足够强，以确保器件正常工作和可靠性；开关损耗要尽量降低，以提高系统的效率。

最后，MMC的控制策略和算法也是参数设计中需要考虑的一部分。

MMC的工作可以通过电流控制和电压控制两种方式来实现。

电流控制方式适用于负载波动大、需要保持电流稳定的场景；电压控制方式适用于负载波动小、需要保持电压稳定的场景。

模块化多电平（MMC）电压源型换流器1柔直输电的基本原理柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技术,也同样由换流站和直流输电线路构成。

柔性直流输电功率可双向流动，两个换流站中的任一个既可以作整流站也可以作逆变站运行，其中处在送电端的工作在整流方式，处在受电端的工作在逆变方式。

为简明起见，以典型的三相两电平六脉动型换流器的柔性直流输电换流站为例，介绍柔性直流输电的基本原理。

系统结构如图2-1所示。

由图虚线划分可知，两端柔性直流输电系统可以看作为两个独立的静止无功发生器（STATCOM）通过直流线路联结的合成系统；对于交流系统而言，交流系统向柔性直流换流站提供连接节点，即换流站与交流系统是并联的。

由以上柔性直流输电系统拓扑结构特点分析可知，柔性直流输电系统具有STATCOM进行动态无功功率交换的功能，除此之外，由于两个电压源换流器（VSC）的直流侧互联，它们之间又具备了有功功率交换的能力，可以在互联系统间进行有功潮流的传输。

图2-1两端VSC-HVDC结构示意图（1－两端交流系统；2－联结变；3－交流滤波器；4－相电抗/阀电抗器；5－换流阀；6－直流电容；7－直流电缆/架空线路。

背靠背式两端VSC-HVDC不包含7）柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器/阀电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统（水冷系统、站用电系统）等。

电压源型换流器包括换流电路和直流电容器，实现交流电和直流电转换的换流电路由一个或多个换流桥并联（或串联）组成，目前在柔性直流工程中还未出现多个换流桥组成的组合式换流器，但组合式换流器可以达到降低开关频率，减少损耗的目的，在某些情况下也可能被采用。

电压源型换流桥可以采用多种拓扑结构，工程中常用的有三相两电平桥式结构，二极管钳位式三电平桥式结构、模块化多电平结构，还有工程中未曾应用，但研究者比较关注的二极管钳位多电平结构和飞跨电容多电平结构。

换流器中的每个桥有三个相单元，一个相单元有上下两个桥臂，每个桥臂或由一重阀（两电平）构成，或由两重阀（三电平）构成，或由多重阀（多电平）构成。

万方数据廖其艳．等：新型模块化多电平变换器的ＰｗＭ控制电气传动２０１１年第４１卷第９期臂子模块均压控制和稳压控制的平衡控制策略。

通过在交流输出电压信号中加入均压分量和稳压分量的方法，很好地实现了各桥臂中子模块电容电压的平衡控制。

再利用仿真软件ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ对本文所提出的控制策略进行了验证。

２ＭＭＣ系统数学模型图１所示为ＭＭＣ子模块和主电路单相拓扑结构，Ｐ为ＭＭＣ直流侧正母线，Ｎ为ＭＭＣ直流侧负母线，ｏ为直流侧假想中性点。

融趵图１ＭＭＣ子模块及主电路单相拓扑图Ｆｉｇ．１Ｓｕｂｍｏｄｕｌｅａｎｄｓｉｎ９１ｅ—ｐｈａｓｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅＭＭＣ给定直流侧电压为Ｅ，则Ｐ对０电压为酬２，Ｎ对０电压为一Ｅ／２。

ｉ。

，ｉ。

：分别为乱相上，下桥臂电流，口∽口。

：分别为“相上，下桥臂电压，电路等式如下：２ｎｊＥ—ｉ兰１％＋Ｌｓ盖（“托ｏ（１），＝ｌＵ‘１。

虿包一。

ｏ（２）１ｐ虿Ｅ十口ｕｏｉ。

＝ｆ。

ｌ一寺ｉ。

＝ｉ。

２＋音ｉ。

一÷（ｉ。

ｌ＋ｉ。

２）（３）厶厶厶式中：口。

ｏ为“相交流输出端相对于直流侧中性点０的电压；Ｌ。

为乱相桥臂限流电感；ｉ。

为“相交流输出端电流；ｉ。

为直流侧电流在乱相上的分量，因ＭＭＣ三相桥臂具有严格的对称性，所以三相桥臂直流分量相同，均为ｉ。

３ＭＭＣ系统控制策略结合子模块的均压控制和稳压控制使ＭＭＣ各子模块电容电压平衡，且无需额外的交流电压环和电流环。

３．１子模块的均压控制“相子模块均压控制的原理框图如图２所示。

图２子模块均压控制Ｆｉｇ．２Ａｖｅｒａｇｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｓｕｂｍｏｄｕｌｅ电压外环通过采样“相所有子模块的电容电压，取平均值后与仳相各子模块电容电压平均值的指令值ｕ？相比较，偏差量经ＰＩ。

比例积分调节后，转换为电流内环的Ｍ相直流电流分量ｉ。

的指令值ｉ二，ｉ二与“相的直流电流分量值ｉ。

相比较后，偏差量再经ＰＩ。

比例积分调节后，转换为子模块均压控制下的电容电压平均值修正量畦。

多电平变流器的主电路结构及其工作原理1. 引言多电平变流器是一种用于电力转换和调节的重要电力电子设备。

它能够将输入交流电源转换为多种不同电平的输出电压，广泛应用于直流输电、工业电机驱动和电力系统稳定控制等领域。

本文将介绍多电平变流器的主要电路结构以及其工作原理。

2. 主电路结构多电平变流器的主电路通常由以下几部分组成：2.1 整流器多电平变流器的输入是交流电源，而输出是直流电压。

在多电平变流器的主电路中，通常会采用整流器来将输入的交流电源转换为输出的直流电压。

整流器的类型可以有多种选择，如单相或三相整流桥、混合整流器等。

2.2 电容滤波器为了使输出电压更加稳定，多电平变流器主电路中还会添加一个电容滤波器。

电容滤波器主要用于平滑直流电压的波动，减小输出电压中的脉动成分。

通过合适的电容选择，可以有效降低电压的谐波含量，提高系统的稳定性。

2.3 逆变器在多电平变流器的主电路中，逆变器是起到关键作用的部分。

它能够将直流电压转换为多电平的交流电压，实现多电平变流器的输出功能。

逆变器通常采用硅控整流器或者现代高压功率电子器件（如IGBT、IGCT等）来实现。

2.4 电感滤波器逆变器输出的交流电压通常含有谐波成分，为了减小这些谐波，多电平变流器的主电路中还会添加一个电感滤波器。

电感滤波器通过合理设计的电感参数，能够有效滤除逆变器输出电压中的谐波成分，使得输出电压能够更好地符合电力系统的要求。

3. 工作原理多电平变流器的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 输入电源的交流电压经过整流器转换为直流电压。

2. 直流电压经过电容滤波器进行平滑处理，减小脉动成分。

3. 经过逆变器将直流电压转换为多个电平的交流电压。

4. 输出电压经过电感滤波器进行谐波滤除，使得输出更接近纯正弦波形。

5. 输出的多电平交流电压可以根据实际需求进行调节和控制。

多电平变流器的工作原理涉及到多个电力电子元件的协同作用，通过适当控制和调节这些元件的工作状态，实现对输入电压的转换和输出电压的调节。

模块化多电平换流器原理及应用模块化多电平换流器是一种电力电子设备，用于实现多电平电压波形的转换和控制。

它由多个子模块构成，每个子模块负责产生一个电平的电压波形，通过合理的组合和控制，可以实现所需的多电平输出。

本文将介绍模块化多电平换流器的原理和应用。

1. 原理：模块化多电平换流器的原理基于电力电子技术和PWM调制技术。

它采用多个子模块，每个子模块包含一个逆变桥和一个滤波电路。

逆变桥将输入直流电压转换为交流电压，滤波电路对输出波形进行滤波，以得到所需的电平。

通过合理的控制和组合，可以实现多种电平的输出。

2. 应用：模块化多电平换流器在电力系统中有广泛的应用。

以下是一些常见的应用领域：（1）高压直流输电系统：在高压直流输电系统中，模块化多电平换流器可以实现高效的电压转换和控制，提高输电效率和稳定性。

（2）电动车充电桩：模块化多电平换流器可以用于电动车充电桩中，实现对电动车的快速充电和电压的精确控制。

（3）可再生能源发电系统：在可再生能源发电系统中，模块化多电平换流器可以将不同类型的可再生能源（如太阳能、风能等）转换为交流电并注入电网。

（4）工业电力系统：在工业电力系统中，模块化多电平换流器可以实现对电力负载的精确控制和优化，提高电力系统的稳定性和效率。

3. 优势：模块化多电平换流器相比传统的换流器具有以下优势：（1）高效性：模块化多电平换流器可以实现高效的电压转换和控制，减少能量损耗和系统热量。

（2）灵活性：模块化多电平换流器由多个子模块构成，可以根据实际需求灵活组合和控制，适应不同的电压和功率要求。

（3）可靠性：模块化多电平换流器由多个子模块组成，故障发生时只需替换故障模块，不会影响整个系统的运行。

（4）可扩展性：模块化多电平换流器可以根据需求进行扩展，增加或减少子模块，以适应不同的应用场景。

4. 发展趋势：随着电力电子技术和控制技术的不断发展，模块化多电平换流器在未来有着广阔的发展前景。

以下是一些发展趋势：（1）提高功率密度：随着半导体器件的不断进步，模块化多电平换流器的功率密度将会越来越高，实现更小体积和更高效率的换流器。

《模块组合多电平变换器（MMC）研究》篇一一、引言随着电力电子技术的不断发展，高压大功率的电力变换系统在可再生能源并网、智能电网、大功率电机驱动等领域的应用越来越广泛。

模块组合多电平变换器（MMC）作为一种新型的高压大功率变换器拓扑结构，具有高可靠性、高效率、高灵活性等优点，成为当前电力电子领域研究的热点之一。

本文旨在探讨MMC的工作原理、控制策略以及应用现状，并对其未来的发展趋势进行展望。

二、MMC的工作原理MMC是一种基于模块化设计的多电平变换器，其基本思想是将整个变换器划分为多个子模块，每个子模块都包含一个电力半导体开关和相应的储能元件。

通过控制子模块的开关状态和投切顺序，实现多电平输出，从而获得更高的电压和功率等级。

具体而言，MMC由多个相单元组成，每个相单元包含多个子模块和一个串联的电感。

子模块通常由一个全桥或半桥电路和一个电容组成，通过控制桥臂上的开关器件，可以实现子模块的投切和电容的充放电。

在MMC中，通过控制每个相单元中子模块的投切数量和投切顺序，可以实现多电平输出，从而获得更高的电压和功率等级。

三、MMC的控制策略MMC的控制策略主要包括调制策略和环流控制策略。

调制策略是指如何将直流电源的电压转换为交流电源的多电平电压波形，通常采用最近电平调制（NLM）或特定谐波消除调制（SHEM）等方法。

环流控制策略是指如何抑制MMC中的环流，防止因环流过大而导致系统故障或损坏。

为了实现良好的控制效果，需要采用数字化控制技术对MMC进行实时监控和控制。

通常采用高性能的数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）等设备，实现对MMC中每个子模块的开关状态进行精确控制。

此外，还需要采用适当的通信协议和控制系统网络架构，实现各个子模块之间的协调和同步。

四、MMC的应用现状MMC作为一种新型的高压大功率变换器拓扑结构，已经在可再生能源并网、智能电网、大功率电机驱动等领域得到广泛应用。

在可再生能源并网方面，MMC可以用于风力发电、太阳能发电等领域的并网逆变器，实现高效、可靠的能量转换和传输。

分析模块化多电平变流器预充电优化策略摘要：模块化多电平变流器（modularmultilevelconverter，MMC）启动过程需要对电容进行充电，目前主要采用不控充电，但该充电方法并不能将电容电压充到稳态运行时的电压值。

为解决该问题。

本文分析模块化多电平变流器预充电优化策略。

关键词：模块化；多电平变流器；预充电；优化策略一、MMC拓扑结构与不控预充电1.1变流器拓扑结构MMC拓扑如图1所示，每相包含上、下两个桥臂，通过桥臂电感Ｌ连接，从电感中间输出，每个桥臂由N个半桥子模块串联而成，每个子模块均由两个IGBT 单元和一个电容CＳＭ构成。

每个子模块有3种工作状态：①投入状态：V1导通，V2关断，此时CSM串入桥臂中，子模块输出电压为uC。

当子模块电流iSM为正时，电容充电，iSM为负时，电容放电。

②切除状态：V1关断，V2导通，此时CSM从桥臂中切除，子模块输出电压为零。

③闭锁状态：V1关断，V2关断，此时CSM的状态取决于iSM方向，若iSM为正，CSM将通过V1的反并联二极管投入充电，否则CSM被切除且uC保持不变。

1.2直流侧不控预充电图2示出直流侧不控预充电过程。

此过程所有子模块均处于闭锁状态，直流母线电压通过V1的反并联二极管同时对上、下桥臂内所有子模块电容进行充电，且三相同时进行。

不控充电结束时，上、下桥臂子模块电容电压之和等于直流母线电压，可得：①式中：为不控充电结束时子模块电容电压；为直流母线电压；N为桥臂串联子模块数。

MMC正常运行时，每相投入N个子模块，额定电压，因此，不控充电结束时子模块电容电压是额定值的50%。

由于变流器等效阻抗很小，合闸充电时，会产生很大的充电电流。

为防止充电电流过大，不控充电需串入限流电阻。

根据直流侧不控预充电过程，充电电路可等效为二阶RLC串联回路。

由于限流电阻远大于电感，最大充电电流会出现在启动瞬间，以a相为例，桥臂最大充电电流可简化为：②式中：为等效电阻。

模块化多电平功率变换器建模与控制武卫强;王立宝;邵文权;程远【摘要】When the modular multilevel converter works,the capacitor voltage of each sub-module can not always be balanced,and the equal voltage control of the submodules is a pre-requisite for ensuring the normal operation of the system.In order to solve the problem of un-balanced capacitor voltage of MMC sub-module,the modulating strategy of carrier phase shift and the bubble sort algorithm are adopted to control the capacitor voltage of MMC sub-module effectively.Finally the simulation model of MMC is set up by MATLAB,and the simulation re-sults verify the validity of the theoretical analysis and the effectiveness of the control strategy.%子模块均压控制是保证系统正常运行的前提,而模块化多电平变换器(MMC,modular multilevel converter)工作时各子模块电容电压不能时刻保持均衡.为了解决此问题,文中采用载波移相的调制策略以及冒泡排序算法对MMC子模块电容电压进行有效控制,使其达到均衡.最后通过MATLAB搭建了MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性与控制策略的有效性.【期刊名称】《西安工程大学学报》【年(卷),期】2018(032)002【总页数】6页(P210-215)【关键词】模块化多电平变换器;子模块;电压均衡【作者】武卫强;王立宝;邵文权;程远【作者单位】西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言由于器件耐压等级与功率等级的限制,传统方式是采用器件的串并联来满足电力电子设备对高压大功率的需求.但是,器件的串并联存在动静态的均压与均流问题,使控制方法变得相当复杂,因此出现了多电平技术.多电平技术通过改变自身拓扑来实现高压大功率输出,具有输出电平数多、电压等级高且可变以及输出波形质量高等优势.2001年,德国学者 Marquardt R与Lesnicar A共同提出MMC拓扑结构.MMC不仅具有多电平技术的优点,还具有其他优势[1],例如交流侧无需滤波装置、输出波形谐波含量小且可扩展性强等.因此,国内外将这一技术应用于工程实践[2],如高压直流输电、新能源并网、高压电机驱动等.但是,MMC自身也存在子模块电容电压不均衡、相间环流等问题.目前,国内外的研究主要集中于MMC子模块电容电压均衡控制与环流抑制等方面.文献 [3-6]针对MMC子模块电压不均衡问题采取了不同的均压控制措施;文献[7-12]对MMC桥臂环流产生的原因、谐波性质、环流对系统造成的危害及抑制手段等方面作了研究.本文依据MMC单相等值电路建立数学模型,并由此得出子模块电容电压中存在二倍频波动分量,相间环流呈负序性质.为了解决MMC子模块电容电压不均衡问题,设计基于冒泡排序算法的载波移相调制策略.在MATLAB中搭建MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性与控制策略的有效性.1 MMC基本拓扑与数学建模图1(a)为MMC主拓扑结构,三相共六个桥臂,每个桥臂都由n个结构相同的子模块级联而成,每个桥臂串联一个电抗器L0.iuj，idj(j=a,b,c)分别为上下桥臂电流,Ud，Id为直流侧电压与电流.图1(b)为子模块拓扑,VT1，VT2代表IGBT,VD1，VD2为反并联二极管,C为子模块储能电容,Uc子模块电容电压,U为子模块端口电压,A、B 端为子模块输出端,用于各子模块相互级联.通过控制VT1，VT2开通与关断使子模块工作于投入与切除状态.(a) 主拓扑 (b) 子模块拓扑图 1 MMC拓扑Fig.1 MMC topologies图 2 单相等值电路Fig.2 Single-phase equivalent circuit依据图1建立MMC单相等值电路模型,如图2所示．将上、下桥臂总电压等效为可控电压源u1和u2.通过该等值电路建立数学模型.首先定义电压调制比k与电流调制比m为[13-14](1)式中，u为交流侧相电压有效值，i为交流侧线电流有效值.以A相为例,对其上下桥臂建立KVL与KCL方程为(2)式中：ω0为基波角频率,φ为初相角.定义上下桥臂开关函数为(3)由式(2)和(3)可得A相上下桥臂子模块电容电压纹波方程为(4)式：u1,u2分别为上下桥臂子模块电容电压；C是子模块电容值．式(4)表明,MMC 运行中,子模块电容电压会出现二倍频波动分量,该二倍频分量会导致MMC相间电压不均衡引起相间二倍频环流,且呈负序性质[9].2 控制策略MMC相单元桥臂采用半桥模块串联结构,随着子模块数量的增加,控制难度也相应增大.目前,模块化多电平变换器在小功率场合应用的调制策略[15-18]有载波层叠、载波移相、空间矢量控制.大功率应用场合有特定谐波消去法、空间矢量控制、最近电平逼近控制[19].为了达到相单元总电压与直流侧电压相同以及子模块电容电压均衡的目的,本文在载波移相脉宽调制方法的基础上应用冒泡排序算法,控制原理如图3所示.对交流侧电压vabc与电流iabc采样,通过3/2“等功率”坐标变换[20]得到交流侧电压和电流有功分量vd，id和无功分量vq，iq,将id,iq分别与其参考值idref，iqref进行比较,所得差值经PI环节输出系统的调制波形,调制波与多个载波相比较得到桥臂所需投入子模块数NU,将NU与子模块电容电压排序编号进行比较,比较结果与输出电流方向共同决定了子模块的投切运行状态.图 3 控制原理Fig.3 Control schematic子模块电容电压均衡控制分为3步：首先,采集桥臂电流与各子模块电容电压值，按照电容电压大小进行2组排序,一组为升序排序,将其排序结果记为0状态，一组为降序排序,将其排序结果记为1状态;其次,根据桥臂电流流向选择排序状态.当电流方向与参考方向一致,选择0状态,使电容电压较低的子模块优先充电;当电流方向与参考方向相反,选择1状态,电容电压较大的子模块优先放电;最后,将每个子模块电压值在该序列的排序结果记为Index,其中第i个子模块电压值经排序后的编号记为Index(i),将当前桥臂所需投入子模块数NU与Index(i)经过比较环节得到第i个子模块的投切状态.3 仿真研究为了验证理论分析与数学建模的正确性,以及调制策略的有效性,本文在MATLAB 中搭建了MMC仿真模型.使MMC工作在整流状态,选取桥臂子模块数n=4,相单元子模块电容电压额定值为2.5 kV,子模块电容C0=0.01 F,桥臂电感L0=2 mH,交流侧输入电压为4 kV,所搭模型如图4所示.图4(a)图为MMC主电路,图4(b)为MMC子模块,S1～S6为6个桥臂,每个桥臂都由4个子模块构成.(a) 主电路 (b) 子模块图 4 MMC仿真模型Fig.4 MMC simulation model图5为MMC整流电路直流侧电压波形.在0～0.08 s内系统达到了稳定状态,直流侧输出电压值稳定在10 kV,稳定后的误差值小于±0.25%,电压实际值能快速、准确跟踪参考值,证明闭环控制策略设计合理.图 5 直流侧电压图图 6 A相上桥臂子模块电容电压 Fig.5 DC side voltage Fig.6 A-phase bridge arm sub-module capacitor voltage 图6为A相上桥臂4个子模块电容电压波形.由图6可知,在0～0.5 s内MMC相单元4个子模块电容电压均稳定维持在参考值2 500 V,每个子模块电容电压误差值均小于±4%.证明本文所采用的冒泡排序算法均压效果良好.MMC在正常工作状态下,由于子模块电容电压存在二倍频电压波动分量,会造成相间二倍频环流问题,图7为MMC相间二倍频环流幅值仿真波形,系统稳定运行状态下,相间二倍频环流幅值为25 A,该二倍频环流在三相桥臂间流动,对外部交流系统不产生影响,环流的存在会造成系统损耗增加.图 7 相间二倍频环流图 8 基波与二倍频谐波相位 Fig.7 Circulating current with double frequency Fig.8 Phase of fundamental wave and double harmonic wave图8为MMC相单元桥臂电流相位关系,图8(a)为三相基波电流相位,图8(b)为三相二倍频环流相位.由图8(a)可知系统稳定后,由上至下A,B,C三相桥臂基波电流互差120°.由图8(b)可知系统在稳定后,由上至下三相环流的相位关系由图8(a)的A,B,C 变为图8(b)的A,C,B,且三相之间互差120°.4 结束语利用MMC单相等值电路建立其数学模型,由数学模型分析出MMC相间含有二倍频环流且呈负序性质,通过仿真实验验证了理论分析的正确性．针对MMC工作过程中子模块电容电压不均衡现象,设计了基于冒泡排序算法的载波移相调制策略,仿真结果表明本文所设计的控制策略是有效可行的,具有一定的工程实用价值．参考文献(References)：[1] MARQUARDT R,LESNICAR A.New concept for high voltage-modular multilevel converter[C]//Proceedings of the 34th IEEE Annual Power 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《模块组合多电平变换器（MMC）研究》篇一一、引言随着电力电子技术的不断发展，模块组合多电平变换器（MMC）作为一种新型的电力变换技术，因其高可靠性、高效率、高灵活性等优点，在电力系统、风力发电、光伏发电等领域得到了广泛的应用。

本文旨在探讨模块组合多电平变换器（MMC）的原理、特性、控制策略以及应用前景，为相关研究与应用提供参考。

二、MMC基本原理与结构模块组合多电平变换器（MMC）是一种基于模块化设计的多电平变换器。

其基本原理是将多个子模块（SM）串联起来，形成一个电平数较高的变换器。

每个子模块包含一个全桥或半桥结构，通过控制子模块的投入与切除来改变输出电压的电平数和相位。

MMC的结构主要由三相桥臂组成，每个桥臂包含多个子模块（SM）。

这些子模块以串联方式连接，形成具有高电压等级的桥臂。

此外，还包括环流变压器、输出滤波器等设备。

通过控制各桥臂中子模块的开关状态，可以实现对交流电压的输出控制。

三、MMC的特性分析MMC具有以下特点：1. 高可靠性：采用模块化设计，各子模块相互独立，易于维护和替换，提高了系统的可靠性。

2. 高效率：通过优化控制策略，降低开关损耗和导通损耗，提高系统效率。

3. 高灵活性：可实现多种电平数和相数的输出，满足不同场合的需求。

4. 谐波性能好：采用多电平技术，输出电压的谐波成分较小，无需额外滤波设备。

四、MMC控制策略研究控制策略是MMC的核心技术之一。

目前常用的控制策略包括最近电平控制（NLC）、载波脉宽调制（CPWM）等。

这些控制策略各有优缺点，如NLC具有较低的计算复杂度，但可能存在较大的电压谐波；CPWM具有较好的电压波形质量，但计算复杂度较高。

为了解决这些问题，许多新型的控制策略不断被提出并应用到MMC中，如优化NLC、优化CPWM等。

此外，为满足系统的实时性要求，需要设计高性能的控制器，包括数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）等。

五、MMC应用领域及前景展望MMC因其高可靠性、高效率、高灵活性等优点，在多个领域得到了广泛应用。