模块化多电平换流器的均压优化控制仿真研究

模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究武晓堃1 王奎1 万磊1, 2李永东1, 3（1. 清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京1000842. 中国电力科学研究院北京1001923. 新疆大学电气学院新疆乌鲁木齐830046）摘要模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为一种新型的多电平拓扑，因为适用于电压源换流型直流输电场合而得到了广泛研究。

本文介绍了MMC的拓扑结构和工作原理，并对常用于MMC拓扑的载波移相、最近电平逼近和载波层叠调制策略以及相应的电容电压平衡算法进行了分析，并在PSCAD/EMTDC下搭建了31电平的MMC仿真模型，分别实现了三种调制策略及其电容电压平衡算法，比较了不同调制策略在电压谐波、电容电压平衡、开关频率等方面的表现，并给出了不同调制策略的特点。

关键词：模块化多电平变换器；载波层叠调制；最近电平逼近调制；载波移相调制；悬浮电容；电压平衡控制1背景介绍相比于传统的交流输电系统，直流输电系统在远距离大容量输电方面具有巨大的优势，尤其是在离岸风电场等海底电缆输电场合，直流输电可以克服电容效应而被人们愈发重视[1, 2]。

传统的VSC-HVDC直流输电系统采用的换流技术主要以两电平和三电平为主。

该拓扑主要问题是电压等级受器件耐压限制，所能达到的电压等级不高，谐波较大。

其中ABB公司的IGBT串联两电平拓扑，虽然提高了电压等级，但是存在着串联模块均压以及同时触发等问题。

2002年，由德国学者提出了一种新型的多电平拓扑[3, 4]，即模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter），该结构高度模块化，通过模块级联就可以实现电压等级的提升[5-7]。

西门子公司将该拓扑转化为了专利和产品应用于直流输电等场合，其中美国的Transbay工程，每相子模块级联数为200，输送功率可以达到400MW[5]。

基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术研究基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术研究摘要：本文研究了基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术。

多电平换流器由于其具有低谐波、高效率等特点，在电力传输领域受到越来越广泛的应用。

本文利用MATLAB/Simulink和Verilog HDL对多电平换流器进行建模，并采用FPGA实现电路调制算法。

对所搭建的平台进行了实时仿真，得出了多电平换流器的工作波形以及性能指标，验证了所研究的方案的可行性和可靠性。

关键词：FPGA；模块化多电平换流器；实时仿真；MATLAB/Simulink；Verilog HDL引言：多电平换流器是一种高性能、低谐波、可控的电力变换器，由于其具有较高的效率和较低的谐波，近几年来在电力传输领域得到了广泛的应用。

由于多电平换流器中电路调制算法的复杂性，其研究和仿真困难较大。

传统的纯软件仿真方法计算速度较慢，且可扩展性不强，难以满足实时仿真的需求。

因此，本文采用了基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术，通过利用硬件资源实现电路调制算法，实现了对多电平换流器的实时仿真。

本文首先介绍了多电平换流器的工作原理和调制算法，并对多电平换流器进行了建模。

接着，详细阐述了FPGA的基本原理和设计流程，利用Verilog HDL设计并实现了多电平换流器的电路调制算法。

最后，将所设计的系统在基于MATLAB/Simulink的平台上进行了实时仿真，并得出了多电平换流器的工作波形和性能指标，验证了模块化多电平换流器实时仿真技术的可行性和可靠性。

总结：本文研究了基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真技术，通过利用硬件资源实现电路调制算法，实现了对多电平换流器的实时仿真。

本文首先介绍了多电平换流器的工作原理和调制算法，并对多电平换流器进行了建模，然后设计并实现了多电平换流器的电路调制算法。

最后，对所搭建的平台进行了实时仿真，验证了所研究的方案的可行性和可靠性。

本科毕业设计 (论文)题目：模块化多电平换流器平均值模型的建立与仿真学生姓名：学号：班级：专业：院（系）：指导教师：二零二零年五月十五日毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明：所呈交毕业论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

毕业设计(论文)作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日毕业设计(论文)使用授权声明本人完全了解成都工业学院有关保留、使用论文的规定，即：学校有权保留论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院（系）资料室被查阅，有权将论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存论文。

论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要柔性直流输电系统有着不再需要滤波器、可以向无源网络供电、能够改变电流方向、可以快速调节有功、无功功率的优点，已经开始大规模建设。

模块化多电平换流器因为其低运行损耗、输出波形质量高、可靠性高等优点，在柔性直流输电领域已经成为了首选的换流器拓扑，也是相关领域研究的大热门。

通过研究MMC的拓扑结构、MMC的工作原理来建立MMC的数学模型，然后对MMC的数学模型进行简化，得到MMC的平均值数学模型。

研究MMC的调制策略，选择适用于MMC平均值模型的调制策略，并且该调制策略要适用于选择的电容电压平衡策略和环流抑制策略。

对电容电压不平衡产生机理、相间环流产生机理进行分析，然后选择适用的电容电压平衡策略和环流抑制策略，并通过详细模型的仿真来验证选择的策略有效性。

最后，建立MMC平均值模型进行仿真分析，并通过与详细模型的输出电压、输出电流、a相电流波形进行比较，验证MMC平均值模型的有效性和其精度，通过Matlab中的函数调试出平均值模型和详细模型的运行时间，比较后得出加速比，验证其能否加速仿真。

模块化多电平换流器型直流输电系统的稳态运行解析和控制技术研究首先，对模块化多电平换流器型直流输电系统进行解析，需要对系统的结构和原理进行分析。

该系统由多个模块化换流器组成，每个换流器都包括多级的电压源型逆变器。

通过控制逆变器的开关状态，可以实现不同电平的直流电压输出。

系统通过高频变压器和滤波器进行电压和电流的连续平滑，从而实现高质量的直流电能输送。

在解析系统运行过程中，需要考虑到系统的电压和电流波形的稳定性，以及模块化换流器之间的功率平衡。

为了实现系统的稳态运行，需要建立系统的数学模型，并进行仿真分析。

通过对系统的运行过程进行数学分析，可以求解系统的稳态工作点，并判断系统是否存在稳态失稳的情况。

其次，对模块化多电平换流器型直流输电系统进行控制技术的研究。

系统的控制技术包括主控制和辅助控制两个部分。

主控制主要是根据系统的负荷需求和电网条件来控制直流电压的输出。

通过控制换流器的开关状态和电压源的输出，可以实现直流电压的调控。

辅助控制主要是对系统的电流和功率进行控制，通过合理控制滤波器的参数和开关状态，可以实现对系统电流和功率的控制。

控制技术的实现主要依赖于先进的电力电子器件和控制算法。

例如，采用现代化的半导体器件和智能控制器，可以实现快速响应和高精度的控制。

同时，还需要建立合理的控制策略，并进行仿真验证和实际应用。

通过优化控制算法和系统参数，可以提高系统的运行效率和稳定性。

综上所述，模块化多电平换流器型直流输电系统的稳态运行解析和控制技术研究是一个复杂而重要的课题。

通过对系统的解析和控制技术进行研究，可以实现系统的高效稳定运行，为电力输电领域的发展做出贡献。

模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法
模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法是一种新兴的高效、
可靠的模块化换流器控制方法，可以有效解决模块化换流器中电容电
压不均衡问题。

该方法通过监测模块化换流器电容电压，采用开关等
规则，实现电容电压精准均衡，从而提高模块化换流器的稳定性。

模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法采用实时监测模块化
换流器电容电压，当电容电压不均衡时，就会通过开关控制多电平换
流器中某个单元的电容补偿，达到电容电压均衡的目的。

此外，在多
电平换流器电容电压均衡控制中，采用了若干技术，如空间恒差技术、持续性能优化等，可以针对不同的应用场景，优化控制效果，从而保
证模块化换流器的高效可靠。

模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法具有体积小、传输量大、控制精度高等优点，适用于大功率转换控制领域，尤其是汽车电
动机控制领域，可大幅提高模块化换流器的效率和可靠性。

因此，模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法是一种新兴而
高效可靠的模块化换流器控制方法，将为电力系统以及汽车电动机控
制领域带来新的应用前景。

模块化多电平换流器的优化均压策略与改进
的子模块电压检测方法
模块化多电平换流器是一种常用的电力电子器件，适用于交直流、直交流等多种电源类型。

在实际应用中，模块化多电平换流器的均压精度和电压控制的稳定性是至关重要的。

本文将从优化均压策略与改进的子模块电压检测方法两个方面探讨如何提高模块化多电平换流器的控制精度。

一、优化均压策略
在模块化多电平换流器的均压控制中，传统的基于发生器协调控制的方法会产生电压波动的现象。

为了解决这个问题，可以采用基于主频偏差控制全系统均压的方法。

该方法通过控制所有子模块的主频，使得输出电压平均值与所需电压一致。

具体实现时，可通过主频偏差反馈迭代控制，使系统实现严格精确的均压。

二、改进的子模块电压检测方法
在现有的模块化多电平换流器中，每个子模块的电压测量方法普遍采用了传感器和ADC芯片，但是这种方法存在着精度不够高、成本较高等问题。

因此，我们提出了一种改进的子模块电压检测方法，通过对每个子模块的电容充放电周期进行检测，获得电容电压信息，达到检测电压的目的。

基于本方法的子模块电压检测的具体步骤如下：
1. 设计一个合适的充放电电路，通过充电电流的控制，实现充电周期和放电周期的比例控制；
2. 采用微控制器或FPGA等控制芯片，控制充放电周期比例，测量电
容充放电时刻，获得电容电压信息；
3. 将获取的电容电压信息汇总，实现子模块电压的检测和监控。

通过采用改进的子模块电压检测方法，可以达到较高的检测精度且成本较低。

综上所述，通过优化均压策略和改进的子模块电压检测方法，能够有效提高模块化多电平换流器的控制精度和稳定性，具有较高的应用价值。

模块化多电平换流器实时仿真的快速实现方法摘要：本文介绍了一种基于MATLAB/Simulink平台的模块化多电平换流器实时仿真的快速实现方法。

该方法通过使用Simulink中的S-Function模块实现了模块化多电平换流器的建模，并使用了Simulink Real-Time Workshop工具生成C代码，实现了模块化多电平换流器的实时仿真。

通过实验验证，该方法具有较高的仿真精度和较快的仿真速度。

关键词：模块化多电平换流器；实时仿真；MATLAB/Simulink；S-Function；Real-Time Workshop1.引言多电平换流器是一种常用的电力电子装置，广泛应用于工业、交通、航空航天等领域。

在多电平换流器的控制中，实时仿真是一种非常重要的技术手段，它可以有效地验证控制策略的正确性，提高控制系统的可靠性和稳定性。

然而，由于多电平换流器的复杂性，实时仿真往往需要大量的计算资源和时间，因此如何快速实现多电平换流器的实时仿真是一个重要的研究方向。

2.模块化多电平换流器的建模模块化多电平换流器是一种常用的多电平换流器拓扑结构，它通过将多个单元级联组合而成，可以实现任意电平的输出电压。

在本文中，我们将采用模块化多电平换流器作为仿真对象，介绍一种基于MATLAB/Simulink平台的模块化多电平换流器实时仿真的快速实现方法。

首先，我们需要对模块化多电平换流器进行建模。

在Simulink 中，我们可以使用S-Function模块来实现模块化多电平换流器的建模。

S-Function模块是一种通用的模块化设计工具，可以将外部C代码嵌入到Simulink模型中，实现复杂的功能。

在本文中，我们将使用S-Function模块来实现模块化多电平换流器的建模。

具体来说，我们需要将模块化多电平换流器分解为多个单元，并对每个单元进行建模。

在每个单元中，我们需要实现电压平衡控制、电流控制、PWM控制等功能。

为了保证仿真精度，我们需要考虑到各个单元之间的耦合关系，以及各种干扰因素对系统的影响。

2011年5月电工技术学报Vol.26 No. 5 第26卷第5期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY May 2011一种优化的模块化多电平换流器电压均衡控制方法屠卿瑞1徐政1郑翔1张静2（1. 浙江大学电气工程学院杭州 310027 2. 浙江电力调度通信中心杭州 310007）摘要模块化多电平换流器（MMC）的各个子模块间的电压均衡问题，是MMC拓扑的难点之一。

本文在采用最近电平调制方式的基础上，对按子模块电容电压排序后，根据桥臂电流方向直接选择相应子模块触发的传统电压均衡方法进行了改进，引入子模块间最大电压偏差量，有效避免了因排序算法导致的同一IGBT不必要的反复投切现象，从而在保证各子模块电容电压基本一致的前提下，大大降低了因排序算法导致的过多的IGBT开关次数，明显减小了换流器的开关损耗。

最后通过PSCAD/EMTDC搭建了20子模块的MMC仿真模型，对优化前后的电压均衡控制方法进行了比较，仿真结果表明该改进算法可以在保证系统稳态特性的前提下，明显减小IGBT 开关次数，降低开关损耗。

关键词：模块化多电平换流器子模块电压均衡开关频率开关损耗中图分类号：TM46An Optimized Voltage Balancing Method forModular Multilevel ConverterTu Qingrui1 Xu Zheng1 Zheng Xiang1 Zhang Jing2(1. Zhejiang University Hangzhou 310027 China2. Zhejiang Electric Power Dispatch and Communication Center Hangzhou 310007 China)Abstract Modular multilevel converter based HVDC (MMC-HVDC) is a new generation VSC-HVDC topology invented by Siemens. The problem of voltage balancing among the submodules (SM) is difficult to solve. The traditional method, which uses the sorting results of the SM capacitor voltages and fires the IGBTs directly, leads to relatively higher power losses. This paper proposes an improved voltage balancing control method, which reduces the switching operation significantly and the switching losses of the converter decreases consequently. The model of MMC-HVDC with 20 SMs is realized by PSCAD/EMTDC, and the traditional and improved voltage balancing control methods are compared. The simulation results demonstrate that the model is reasonable and the improved method is effective.Keywords：Modular multilevel converter, sub modules, voltage balancing, switching frequency, switching losses1引言由于电压源换流器型高压直流输电系统（VSC-HVDC）控制上的灵活性，使得其特别适合于大型风电场（尤其是远海风电场）等可再生能源并网、向无源网络供电、城市电网供电和异步交流电网互联等场合[1-3]。

摘要模块化多电平换流器在预充电过程中存在子模块均压效果劣化现象，部分子模块电压跌落甚至反复启停。

针对这一问题，分析了取能电源等效阻抗动态变化情况并将其引入子模块仿真模型中，使模型更接近实际；根据改进后模型，分析了预充电时子模块电压变化过程。

仿真结果表明，由于取能电源参数不一致性，导致子模块电压再分配，取能电源等效阻抗与电容电压形成正反馈，进一步加剧电压两极分化，最终导致均压效果劣化。

研究结果可为柔性直流输电工程运行参数调整和换流器优化设计提供理论依据。

关键词:模块化多电平换流器；柔性直流输电；取能电源；均压；子模块；预充电0 引言目前中国已投运的五项柔性直流输电工程（分别位于南汇、南澳、舟山、厦门、鲁西）的换流器均采用模块化多电平拓扑，各相桥臂通过具有相同结构的多个子模块串联构成，换流器输出电压就是由工作的多个子模块电压级联形成[1-9]。

各子模块电压波动应限制在允许范围内，当模块过压或欠压时，易造成子模块过压保护动作、IGBT因承受过电压而击穿、取能电源因欠压保护动作使控制板卡失电等故障，进而使子模块旁路。

因此，子模块均压是模块化多电平换流器重点研究内容之一。

现有相关研究集中在电容值选取、控制方式优化、环流控制等方面来降低子模块电压波动。

文献[10]提出了可降低子模块电容值和电压波动的控制方法；文献[11]提出子模块均压算法；文献[12]～[15]通过优化环流控制算法降低电压波动。

但以上研究均基于换流器处于解锁状态时，而对于换流器闭锁预充电状态下的均压研究较少。

换流器处于预充电状态时，相关研究简单地认为均压电阻和电容的存在使各子模块电压基本一致[16-17]，但根据厦门、南汇等柔直工程的实际数据知子模块均压效果发生劣化，部分子模块电压跌落甚至反复启停。

文献[16]～[19]在建模时均只考虑了均压电阻和电容，而忽略了取能电源等效阻抗对均压效果的影响，根据以上模型无法分析均压效果劣化的机理。

依托厦门±320 kV柔直工程实例，本文改进了子模块仿真模型，引入取能电源等效阻抗参数，使其更符合工程实际。

模块化多电平换流器电容电压优化均衡法研究粟咏梅;粟时平;李琳;张贝【摘要】在模块化多电平换流器的传统子模块电容电压排序均衡方法中,算法排序在子模块数目较多的情况下存在运算量大、开关动作频繁等缺陷.因此,为了减少子模块排序运算量,降低开关频率,该文提出了基于改进归并排序的MMC电容电压均衡法.首先,对引入的归并排序算法均衡工作机理展开了简要叙述,在此基础上,针对算法单次排序比较次数高对算法进行优化处理,进而减少了单次排序运算过程中算法所需的比较次数;并立足于简化后的归并排序算法,引入子模块之间的最大电压偏差比例值,实现降低排序频率与开关损耗,从而形成了具有优越性能的改进归并排序均压控制方法.最后,运用Matlab/Simulink仿真平台搭建了模块化多电平换流器的直流侧电容电压均压控制模型验证所提改进归并排序均压方法的可行性与有效性.【期刊名称】《电力科学与技术学报》【年(卷),期】2019(034)002【总页数】8页(P76-83)【关键词】模块化多电平换流器;直流电容;均压;排序算法;归并排序【作者】粟咏梅;粟时平;李琳;张贝【作者单位】长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙 410114;国家电网长沙供电公司,湖南长沙 410000;国家电网长沙供电公司,湖南长沙 410000;国家电网衡阳供电公司,湖南衡阳 421200;国家电网长沙供电公司,湖南长沙 410000【正文语种】中文【中图分类】TM721近年来，伴随着全控型电力电子器件的制造技术的迅猛发展，各国学者对基于电压源换流器(Voltage Source Converter VSC)的柔性直流输电技术的研究日趋成熟。

目前，普遍运用于国内外柔性直流输电工程的VSC大多划分为3类结构，即两电平换流器、二极管钳位三电平换流器和模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converts MMC)[1-2]。

其中，两电平和三电平换流器由于电平数目少、开关频率高等原因引发了输出电压波形差以及开关器件的动态均压等问题，因而限制了其在柔性直流输电范围内推广应用的步伐。

模块化多电平换流器均压算法优化研究随着电力电子技术的发展，多电平换流器在电力传输与配电领域得到了广泛应用。

模块化多电平换流器具有模块化可扩展、系统可靠性强、功率密度高等优点，成为了新一代高性能电力电子器件。

在模块化多电平换流器控制中，均压算法是一种最常用的调制技术。

然而，传统的均压算法在均分电压时存在不足之处，即电压波形畸变严重，谐波含量高。

这不仅会对配电网造成不利影响，还会对设备产生损害。

因此，需要对均压算法进行优化和改进。

近年来，研究者们提出了许多优化方法，包括基于多项式的动态状态选择均压算法、基于变比方法的均压算法、基于序列的均压算法等。

这些算法在改善电压波形畸变，降低谐波含量，并提高换流器性能方面表现出非常显著的优势。

动态状态选择均压算法是一种基于多项式的均压算法。

该算法的优点是可以在任何模块数量下均分电压，从而实现模块化设计，并且不会造成电容电压差过大的现象。

与传统的均压算法相比，动态状态选择均压算法的电压波形更为平滑，谐波含量更低。

变比均压算法是一种基于变比方法的均压算法。

该算法通过改变逆变器模块的PWM占空比来实现均分电压。

该算法的优点是无需在逆变器模块之间添加电容，可以节省成本，并且在低负载情况下，可以保持输出电压的平滑性，从而降低谐波含量。

序列均压算法是一种基于序列的均压算法，该算法将一个正常输出的单相逆变器扩展到三个相，以实现均分电压。

该算法的优点是可以在任何电压水平下实现均分电压，不需要添加任何附加电容，并且可以减少电容电压差。

综上所述，优化和改进均压算法对多电平换流器控制的稳定性和性能都非常重要。

以上提到的优化算法，在不同的应用场景中都有其独特的优势。

研究者们可以根据实际情况选择合适的算法，并进一步完善和改进。

模块化多电平换流器优化均压策略研究
崔帅;宋吉江;赵巧静;孙光华;王蕾
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2022(45)6
【摘要】针对模块化多电平换流器(MMC)子模块在运行时存在的排序运算量大、功率器件动作频繁等问题,文中提出一种改进的快速排序优化算法来减少控制器的
计算量。

首先优化快速排序中基准值的选取方法,选取待排数组中均值作为基准值;
其次结合直接插入排序,仅对经过快排后的某一数组进行排序,减少待排数据的数量。

针对MMC运行过程中存在功率器件动作频繁的问题,设置各桥臂子模块电容电压
最大(小)偏差值,对于未越限的电容电压值保持其下一周期投切状态不变,减少功率
器件的频繁投切。

最后在仿真软件Matlab/Simulink中搭建21电平MMC仿真
电路模型进行仿真验证。

结果表明,文中提出的优化电容电压控制策略可以有效减
小控制器的计算量和开关器件的开关频率。

【总页数】5页(P143-147)
【作者】崔帅;宋吉江;赵巧静;孙光华;王蕾
【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN712.3-34;TM7
【相关文献】
1.模块化多电平换流器阀基主动均压控制策略研究
2.优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法
3.模块化多电平换流器闭环均压策略研究
4.一种优化的模块化多电平换流器均压控制方法
5.基于模块化多电平换流器电容均压控制的环流抑制策略
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