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基于模块化多电平的光伏逆变器仿真

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迫札与柱毋Ｊ应用２０１３，４０（２）　控制与应用技术ＥＭＣＡ　

基于模块化多电平的光伏逆变器仿真术　

蒋辰晖’，　王志新　，　吴定国　

（１．上海交通大学电子信息及电气工程学院，上海２００２４０；　

２．无锡清源电气科技有限公司，江苏无锡２１４１７４）　

摘要：针对大规模太阳能发电厂并网系统，采用模块化多电平变流器（Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍｕｈｉｌｅｖｅｌ　Ｃｏｎｖｅｎｅｒ，　

ＭＭＣ）设计三相光伏并网逆变器，满足多组太阳能电池板组成的阵列接入电网的要求。详细研究了ＭＭＣ光　

伏并网逆变器触发方式及电容电压平衡策略。介绍了基于ＭＭＣ的光伏发电系统结构，并建立其直流回路方　

程，提出利用多组三角载波与参考波比较生成触发脉冲，同时根据电容电压进行排序，再将触发脉冲依次分配　

给各桥臂子模块，保证同一桥臂内各模块电容电压瞬时值相等。详细分析了桥臂电容电压周期性、波动性，采　

用双闭环比例调节器控制电容电压跟踪给定，明显减小了各桥臂电容电压波动范围，提高了一致性和系统输　

出波形质量。最后，利用ＭＡＴＬＡＢ对所提出的触发方式、电容电压平衡策略及基于ＭＭＣ结构的光伏系统进　

行了仿真验证，输出电流波形平滑且具有较高的动态响应性能。仿真结果表明所采用方法正确、有效。　

关键词：光伏逆变器：模块化多电平：电容电压平衡；多载波；电能质量　

中图分类号：ＴＭ　４６４　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３－６５４０（２０１３）０２－００３９－０６　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　

ＪＩＡＮＧ　Ｃｈｅｎｈｕｉ　，　ＷＡＮＧ　Ｚｈｉｘｉｎ　，　Ｄｉｎｇｇｕｏ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　

Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｗｕｘｉ　Ｃｌｅａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｓｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｘｉ　２１４１７４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｓｏｌａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ａｎｄ　ａ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　

ｍｏｄｕｌａｒ　ｍｕｈｉｌｅｖｅｌ　ｗｈｉｃｈ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｇｒｏｕｐ　ｓｏｌａｒ　ｐａｎｅｌｓ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｄ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＭＭＣ　

ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＤＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ　

ｃａｒｒｉｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｗａｖｅ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｐｕｌｓｅ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｓｕｂ—ｍｏｄｕｌｅｓ　ｏｆ　

ｅｖｅｒｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ａ瑚ｗｅｒｅ　ｓｏｒｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｉｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｐｕｌｓｅｓ　ｗｅｒｅ　ａｓｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｓｕｂ—ｍｏｄｕｌｅｓ　ｏｆ　

ｅａｃｈ　ｌｅｇ．Ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｅｎｓｕｒｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｇｒｉｎ　ｗａｓ　ｅｑｕａｌ　ｔｏ　

ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ．Ｃｙｃｌｉｃａｌ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｏｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｎＴｉ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ—ｌｏｏｐ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ　

ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｒａｃｋ　ｔｈｅ舀ｖｅｎ　ｖａｌｕｅ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｄｅ　ｔｈｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　

ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｏｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｒｌｎ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｍａｄｅ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｏｒ　ｅａｃｈ　ｌｅｇ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．Ｓｏ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　

ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｇｏｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ，ｂａｌａｎｃｅ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　

ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＭＣ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＭＡＴＬＡＢ．Ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　

ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｗａｓ　ｓｍｏｏｔｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｗａｓ　ｆａｓｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　

ｃｏｒｒｅｃｔ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｏｄｕｌａｒ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＭＭＣ）；ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｂａｌａｎｃｅ；　ｍｕｌｔｉ－ｃａｒｒｉｅｒ；ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　

基金项目：国家自然科学基金重点项目（６０９３４００５）；国家８６３计划智能电网关键技术研发重大项目（２０１１ＡＡ０５ＡＡ１０３）；上海市　科技发展基金项目（１１１９５８０２１００）；上海市教育发展基金项目（２０１０ＬＭ２６）；上海市教育发展基金项目（２０１１ＬＭ３５）　

一

３９—　控制与应用技术ＥＭＣＡ　电札与控刮应用２０１３，４０（２）　

０　引　言　

全球性能源危机及人类生存环境质量的要　

求，使得开发可再生能源和新技术广为人类关注。　

太阳能是一种免费而又无环境污染的能源。在我　

国大部分地区太阳辐射量都较大，所以光伏发电　

的开发与规模化应用具有战略意义和现实意义。　

其中，就需要进一步研究大型并网的高效率光伏　

逆变器，解决目前光伏逆变器存在的电容均压、电　

网污染、电压等级等问题。近年来基于电压源的　

变流器（ＶＳＣ）已广泛应用于各个行业，如无功补　

偿、有源滤波、新能源并网、新型直流输电等，对其　

电压等级要求也越来越高，为满足需求，出现了一　

系列多电平变流器，其中以模块化多电平结构应　

用最为广泛，如传统的Ｈ桥级联多电平，以Ｈ桥　

结构串联组成变流器各相桥臂，但传输有功功率　

时需要多个独立直流电源对各Ｈ桥单元供电，因　

此该结构适合于传输无功功率。以半桥结构级联　

构成的一种新型模块化多电平变流器（Ｍｏｄｕｌａｒ　

Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＭＭＣ），采用上下桥臂的结　

构，与常规两电平变流器相似，上下桥臂均星型连　

接，因此有公共直流端，更适合于有功功率传输。　

应用于太阳能并网发电时，可便于多个太阳能光　

伏电站直流侧互联，实现多个不同地区光伏能源　

互补，提高系统发电稳定性。　

太阳能发电厂目前通常由多块太阳能电池板　

以阵列形式分布，输出电能经直流变换（ＤＣ／ＤＣ）　

得到相对稳定的直流输出，同时实现最大功率跟　

踪等算法，以提高系统效率　。最后经逆变器获　

得电压幅值和频率稳定的交流电能，实现并网或　

对负载供电。对于并网变流器部分通常采用两电　

平或三电平系统，其主电路结构常采用全控电力　

电子器件（ＩＧＢＴ），对于大规模的光伏并网系统受　

器件耐压等级限制，应用闲难，在一定程度上限制　

了光伏发电系统的进一步发展。　

本文提出ＭＭＣ应用于光伏发电系统作为并　

网变流器应用。对于该种模块化多电平相关内容　

在文献［２－６］中已有论述，主要讨论其模块电容均　

压方法及变流器内部环流产生机理等，介绍了基　

于ＭＭＣ的光伏并网系统的组成，同时设计了　

ＭＭＣ触发脉冲生成方法，将传统Ｈ桥级联多电　

平的多载波触发方式简单改进后应用于该种结　

４０一　构，然后提出了电容电压平衡控制策略，并详细分　

析了桥臂电容电压周期性波动的原因，最后设计　

了一台容量４０　ｋＶＡ，每相８个模块级联的９电平　

变流器，并对整个系统进行了仿真验证，得到较好　

结果，为进一步研发逆变器样机产品及试验系统　

的搭建奠定了基础。　

１　基于ＭＭＣ的光伏并网系统　

基于ＭＭＣ的光伏并网系统结构如图１所示，　

ＭＭＣ的三相Ｕ，Ｖ，Ｗ共六个桥臂，Ｃ　为变流器直　

流侧附加输出电容，每个桥臂由Ⅳ个半桥子模块　

（ＳＭ）串联构成。每个ＳＭ直流侧电源由太阳能电　

池板及ＤＣ／ＤＣ模块组成，交流部分由两只带反并　

联二极管的ＩＧＢＴ组成，可输出两电平，ＩＧＢＴ１导　

通，ＩＧＢＴ２关断时，子模块两端电压ｕ蜊等于模块　

电容电压　，模块为投入状态；ＩＧＢＴ１关断，ＩＧＢＴ２　

导通时，子模块两端电压　等于零，为切除状态。　

太阳能发电厂的多组光伏阵列可分别接人三相桥　

臂各子模块的独立直流侧，组成太阳能发电系统。　

图１　ＭＭＣ拓扑结构　

每相上下桥臂间串人电抗器　，主要用于抑　

制三相桥臂间环流。以Ｕ相为例，其ＫＶＬ　

（ＫｉｒｃｈｈｏｆＣｓ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｌａｗ）方程为　２ｎ　１　＝∑　＋ｆ景（　＋ｉｎｕ）　（１）　Ｊ　１　ｕ　式中：Ｕ　．——直流侧电压；　

。——各子模块输出电压；　

ｚ——桥臂串联电抗器　的电感值；　

ｉ。　和ｉ　——Ｕ相上下桥臂电流；　

ｎ——每个桥臂子模块数；　

卜每相桥臂中模块的序号，　＝１～２ｎ。

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级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究

级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究

级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究

毕业设计(论文)诚信声明

本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)是

我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究

成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的

地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研

究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育

机构的学位或证书所使用过的材料。

如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由

此而造成的一切后果及责任。

本人签名____________

导师签名__________

年 月 日

华东交通大学毕业设计(论文)任务书

学毕业届专XX XXXX XX XXXXX 姓名 号 别 业

毕业设计(论文)题级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究 目

指导教学 XXX XX XXX 职 称 师 历

具体要求:

随着电气传动技术,尤其是变频调速技术的发展,作为大容量的高压变频调速技术得到了广泛的应用。目前高压变频器的电路拓扑结构种类较多，相应的开关功率器件 容量也越来越大，其主要有以下4种基本的拓扑结构:?H桥级联式(Cascaded

H-bridge，CHB);?电容箝位式(Capacitor-Clamped);?二极管箝位式(Diode-Clamped);?飞跨电容嵌位式 (Flying-Capacitors)。由于CHB逆变器具有很低的谐波失真和dv/dt，而且不需要功率器件间的串联，就可以得到很高的工作电压，它

的模块化结构还可以降低生产成本，所以CHB逆变器在高功率大容量变频以及电力系统中的柔性输配电(FACTS)领域都得到了大量的应用。 本课题要求学生了解H桥级联7电平逆变器拓扑及CHB逆变器常用的调制方式:相位移位调制(Phase

Shifted Modulation)和电压移位调制(Voltage Shifted Modulation)，在对CHB逆变器进行深入了解之后，通过Matlab/Simulink/Powersystem仿真软件对三次谐波注入的 CHB逆变器调制方法进行仿真研究，并把这中方法和不采用三次谐波注入的正弦波调制技术进行分析比较，从而得到一些具有一定理论价值的结论。

级联多电平光伏并网逆变器研究

级联多电平光伏并网逆变器研究

第４５卷第７期　２０１１年７月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５，Ｎｏ．７　Ｊｕｌｙ　２０１１　

级联多电平光伏并网逆变器研究　

胡　超，张　兴　（合肥工业大学，电气与自动化工程学院，安徽合肥２３０００９）　

摘要：介绍了采用级联Ｈ桥的光伏并网逆变器拓扑结构。调制方式上选择载波相移正弦脉宽调制技术（ＣＰＳ。　ＳＰＷＭ），该技术可增加输出电压电平数并使其谐波含量更小。采用电压外环、功率内环的双闭环并网控制策　略，电压环可独立控制各单元的直流侧电压，使得每个单元都可跟踪各自的最大功率点（ＭＰＰ）；功率环不仅可　控制输出电流的功率因数，而且可平衡各单元的功率输出。最后通过仿真和实验验证了理论的正确性。　关键词：并网逆变器；级联：多电平；载波相移　

中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１１）０７—００１７—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃａｓｃａｄｅｄ　Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｇｒｉｄ．ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　

ＨＵ　Ｃｈａｏ．ＺＨＡＮＧ　Ｘｉｎｇ　

（Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｓｃａｄｅｄ　Ｈ－ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ａ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｕｓｉｎｇ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔ　ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ｐｕｌｓｅ—ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＣＰＳ—ＳＰＷＭ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔ　ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｅｖｅｌ　ａｎｄ　ｒｅ—　ｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ．Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ａ　ｄｏｕｂｌｅ—ｌｏｏｐ（ｏｕｔｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｏｏｐ，ｉｎｎｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｏｐ）　ｄ・ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｏｏｐ　ｖａｉｌ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ＤＣ　ｓｉｄｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｕｎｉｔ，ｍａｋｉｎｇ　ａｎ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｍａｘｉ—　ｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｐｏｉｎｔ　ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｐｏｗｅｒ　ｌｏｏｐ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｂａｌａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｕｎｉｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃａｓｃａｄｅｄ；ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ；ｃａｒｒｉｅｒ　ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔ　

基于SVPWM三相并网逆变器仿真报告.docx

基于SVPWM三相并网逆变器仿真报告.docx

精品文档

基于SVPWM三相并网逆变器仿真报告

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目 录

1. SVPWM逆变器简介 .................................................................................................... 1

2. SVPWM逆变器基本原理 ............................................................................................ 2

2.1. SVPWM调制技术原理 ...................................................................................... 2

2.2. SVPWM算法实现 .............................................................................................. 5

3. SVPWM逆变器开环模型 ............................................................................................ 9

3.1. SVPWM逆变器开环模型建立 .......................................................................... 9

3.2. SVPWM逆变器开环模型仿真分析 ................................................................ 12

4. SVPWM逆变器闭环模型 .......................................................................................... 14

模块化多电平变换器

模块化多电平变换器

模块化多电平变换器(MMC)的脉冲宽度调制的实验和控制

摘要：模块化多电平变换器(MMC)是新一代不需要变压器而实现高、中压电力转换的多级转换器中的一种。MMC的每相是基于多个双向斩波单元的串级连接。因此需要对每个浮动的直流电容器进行电压平衡控制。然而，目前还没有文章涉及到通过理论和实验验证来实现电压平衡控制的明确讨论。本文涉及两种类型的脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)来解决他们的电路配置和电压平衡控制。平均控制和平衡控制的结合使脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)在没有任何外部电路的情况下实现电压平衡。脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)的可行性,以及电压平衡控制的有效性,通过仿真和实验已经被证实。

关键词：电压电力转换，多级转换器，电压平衡控制

一、 介绍：

大功率的转换器的应用需要线性频率变压器来达到加强电压或电流的额定值的目的（见参考文献【1】——【4】）。2004年投入使用的80MW的静态同步补偿器的转换侧由18个中点箝位(NPC)式转换器组成（文献【4】），每个系列的交流双方串联相应的变压器。线性变压器的使用不仅使转换器笨重,而且也导致当单线接地故障发生时出现直流磁通偏差（文献【5】）。

最近，许多关于电力系统和电力电子的多级转换的科学家和工程师，参与到多电平变换器 为了实现无需变压器而实现中压电力转】换（文献【6】-【8】）。两种典型的方法有：

（1）多级多电平转换(DCMC) （文献【6】, 【7】）;

（2）飞跨电容型多电平变换器(FCMC)（文献【8】）。

三电平多级多电平转换器（DCMC）或者NPC转换器已经被投入实际使用，如果在DCMC中电平的数量超过三个，容易导致串联的直流电容内在电压的不平衡，因此两个直流电容需要一个外部电路（例如buck—boost斩波电路）（文献【11】），此外，一个箝位二极管耐压值的增长是非常有意义的，而且这种增长需要每相串联多个模块，这就造成一些困难。因此合理的电平数量应该根据实际需要考虑但至多不能超过五个。至于FCMC,四级的脉冲宽度调制（PWM）换流器目前已经被一个制造中压驱动器的企业大量生产。然而，较低的载波频率（低于1KHz）的浮动电容器的价格依然昂贵，这是FCMC最大的劣势。