下载文档原格式
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。
模块化多电平换流器型高压直流输电综述0引言：现代电力电子技术的发展，使直流输电又一次登上历史舞台，与交流输电并驾齐驱。
1954年，世界上第一条工业性的高压直流输电系统投入运营，从此，直流输电技术在海底电缆送电、远距离大功率输电、不同频率或相同频率交流系统之间的联结等场合得到了广泛地应用。
IGBT、GTO 的出现，促使了VSC-HVDC和MMC-HVDC的产生，成为直流输电技术的一次重大变革。
MMC-HVDC（modular multilevel converter-high voltage DC transmission）是新一代直流输电技术，发展非常迅速。
它具有高度模块化、易于扩展、输出电压波形好等特点，尤其适用于中高压大功率系统应用。
本文首先介绍MMC的电路拓扑和工作原理，总结MMC的主要技术特点；然后分别回顾MMC在电容电压平衡、环流、控制策略、故障保护等关键问题的最新研究进展，最后指出MMC今后亟待研究的关键问题。
相关研究结果表明，MMC在电力系统中有广泛的应用前景,是未来中高压大功率系统,尤其是高压输电技术的重要发展方向。
1正文：传统两电平电压源型变换器，在电机传动、新能源并网、开关电源等工业生产领域的应用十分广泛。
但在高压大功率领域的应用中，为解决功率开关器件的耐压问题，通常通过工频变压器接入高压电网，笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的体积和成本，限制了系统效率。
鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足，德国学者 Marquardt R.及其合作者提出了基于级联结构的模块组合多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的拓扑。
现将传统直流输电、电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)和MMC-HVDC三种直流输电方式的特点列表如下。
1.1 MMC拓扑结构和基本原理拓扑结构如图 1 所示，可以看出其为桥型拓扑结构，上下桥臂各串联n个子模块并通过电抗器与交流电源相连。
MMC柔性直流电基本原理通常，为了减小长距离输电线路的损耗必须提高输电线路的电压等级，即必须采用高压输电。
现有的高压输电技术主要包括高压交流（HVAC）和高压直流（HVDC）两种主流技术。
由于输电线路造价低、相同绝缘条件下线路的电力输送能力强，高压直流输电技术更适用于长距离大容量的电力输送，目前，高压直流输电技术主要有：基于电流源型换流器的HVDC（LCC-HVDC），即常规直流输电技术基于电压源型换流器的HVDC（VSC-HVDC）由于可控性和兼容性更佳，VSC-HVDC在中国也被称为柔性直流输电，简称“柔直”。
近年来，模块化多电平换流器（MMC）以其模块化的结构、低谐波含量、高运行效率等优点在柔性直流输电领域获得了广泛关注，并在多个实际工程中获得应用。
对应用于直流输电系统的MMC来说，具有如下特点：换流器容量大——通常在数百至上千MW电压等级高——交、直流电压在百kV等级功率模块数量巨大——高达数百至数千例如：广东南澳多端柔直工程容量200MW，直流电压±160kV，交流电压166kV，青澳站换流器功率模块数量为1320个云南鲁西背靠背柔直工程容量1000MW，直流电压±350kV，交流电压380kV，广西侧换流器功率模块数量高达2808个现有文献对应用于柔性直流输电系统的MMC开展了较多的研究，包括电路拓扑、数学模型、调制与均压、桥臂环流谐波抑制、快速仿真方法、故障保护策略等在电路拓扑方面，现有文献重点研究了具有直流短路故障抑制能力的换流器拓扑基于半桥型功率模块构建的换流器结构简单，运行效率高，但是无法抑制直流短路故障基于全桥或者双箝位型功率模块构建的换流器具有短路故障抑制能力，但是所需功率器件多，损耗大，造价高在MMC的数学模型方面，现有文献主要对MMC的交流侧、直流侧等效模型进行了研究，分析了电容参数及桥臂电感参数的设计方法现有文献对MMC的均压与调制策略也进行了研究载波移相脉宽调制策略开关频率固定，需要对每个功率模块都进行闭环均压控制，功率模块数量较多时几乎难以实现最近电平逼近调制策略具有开关频率低、均压实现简单的特点，但是模块的开关具有随机性，功率模块的开关频率不固定在基于最近电平逼近调制策略的低开关频率均压策略方面，现有文献提出了若干方法，但是这些方法在基波周期中的大多数时间内令功率模块投切状态不变，导致模块电容电压波动范围很大现有文献分析了桥臂环流谐波分量产生的原因，推导了桥臂环流谐波特性，提出了桥臂环流dq同步旋转坐标系下多PI控制器的抑制方法，实现较为复杂；基于PR控制器的抑制方法坐标变换简便，易于实现另外，在实际工程中发现，功率模块中的控制电路具有恒功率的负载特性，负载的恒功率特性导致了MMC在不控充电阶段会出现正反馈机制的电压发散现象2.MMC基本原理MMC特点：模块化结构，冗余设计降低系统停机概率多电平输出，输出电压谐波含量低储能电容分散，降低了直流储能电容的体积单个功率模块电压等级低通过功率模块串联可以适用于高压大功率场合功率模块介绍:半桥功率模块工作状态上管（S1）开：输出电压为UC上管（S2）开：输出电压为0上管开，对电容进行充放电，定义为投入状态下管开，功率模块不参与工作，定义为切除状态2个半桥功率模块串联输出电压S2开（切除）， S4开（切除），输出电压之和为0S2开（切除）， S3开（投入），输出电压之和为UC2S1开（投入）， S3开（投入），输出电压之和为UC1+ UC2两个功率模块串联连接时输出电压为0，UC，2 UC所以当多个半桥功率模块串联输出电压所有功率模块均处于切除状态，输出电压为零；任意一个处于投入状态，输出电压为UC；任意两个处于投入状态，输出电压为2UC；任意x个功率模块均处于投入状态，输出电压为xUC。
基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统一、本文概述随着能源互联网的快速发展和可再生能源的大规模接入，轻型直流输电系统（Light Direct Current Transmission System, LDCTS）以其灵活、高效和环保的特点，逐渐成为电力系统中的重要组成部分。
其中，模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为LDCTS的核心设备，其性能直接影响到整个输电系统的稳定性和经济性。
本文旨在深入研究基于MMC的LDCTS的设计、控制及优化问题，为轻型直流输电系统的工程实践提供理论支撑和技术指导。
本文首先简要介绍了LDCTS和MMC的基本概念、发展历程和应用现状，阐述了研究基于MMC的LDCTS的重要性和意义。
接着，详细分析了MMC的数学模型、调制策略和控制方法，研究了MMC在LDCTS中的应用及其关键技术问题。
在此基础上，本文提出了一种优化的MMC 控制策略，通过仿真和实验验证了该策略的有效性和优越性。
本文还讨论了LDCTS的故障检测与保护、系统稳定性分析和优化运行等问题，为LDCTS的安全、可靠和高效运行提供了保障。
本文总结了基于MMC的LDCTS的研究成果和进展，指出了当前研究中存在的问题和挑战，并展望了未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，可以为轻型直流输电系统的进一步研究和实践提供有益的参考和借鉴。
二、模块化多电平变流器的基本原理模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，MMC）是一种新型的电压源型换流器，它结合了模块化设计和多电平技术，使得直流输电系统具有更高的效率和灵活性。
MMC的基本原理在于将传统的两电平或三电平换流器分解成多个低电压子模块（Submodule，SM），这些子模块可以独立控制并串联连接，从而构建出高电压、多电平的换流器。
每个子模块通常由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和反向并联二极管（Diode）组成，通过控制IGBT的通断，可以实现子模块输出电压的灵活控制。
基于新型模块化多电平变换器的五电平PWM整流器一、本文概述随着电力电子技术的不断发展，多电平变换器已成为现代电力系统中重要的研究方向之一。
模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）因其高电压、大容量的特性，在高压直流输电（HVDC）、风力发电和电机驱动等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在研究一种基于新型模块化多电平变换器的五电平PWM（脉冲宽度调制）整流器，通过对其拓扑结构、工作原理和控制策略的分析，为现代电力电子系统的优化设计与稳定运行提供理论支持和技术指导。
本文首先介绍了模块化多电平变换器的基本原理和五电平PWM整流器的拓扑结构，阐述了其在现代电力电子系统中的重要性和优势。
接着，详细分析了五电平PWM整流器的工作原理，包括其调制策略、开关状态切换以及功率因数校正等方面。
在此基础上，本文提出了一种适用于五电平PWM整流器的控制策略，旨在实现高效、稳定的能量转换和电网接入。
本文还对五电平PWM整流器的性能进行了仿真和实验研究，验证了其在实际应用中的可行性和有效性。
通过对比传统整流器与五电平PWM整流器的性能，本文进一步证明了新型模块化多电平变换器在提升电力电子系统性能、降低谐波污染和提高能源利用效率等方面的优势。
本文的研究对于推动模块化多电平变换器和五电平PWM整流器在现代电力电子系统中的应用具有重要意义。
通过对其拓扑结构、工作原理和控制策略的研究，有望为电力电子技术的发展提供新的思路和方向，为现代电力系统的智能化、绿色化和高效化提供有力支持。
二、模块化多电平变换器原理及特性分析随着电力电子技术的不断发展，模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）已成为高压大功率应用中的关键设备。
MMC以其独特的结构设计和灵活的扩展性，在电力系统中得到了广泛应用。
本文所研究的五电平PWM整流器，正是基于MMC的一种实现方式。
模块化多电平换流器稳态功率运行范围的确定方法模块化多电平换流器（MMC）是一种新型的高压直流输电技术，它具有高效率、高稳定性和灵活性等优点。
然而，在实际应用中，MMC 在稳态功率运行范围的确定方面存在一定的挑战。
本文将介绍一种确定MMC稳态功率运行范围的方法，并探讨其优势和适用性。
一、MMC的稳态功率运行范围MMC是一种通过控制每个模块的开关状态来实现电流和电压波形控制的换流器。
每个模块包含一个电容和一个半桥模块，通过控制开关的导通和截止，可以控制输出电流和电压的波形。
MMC的功率输送能力取决于电容容量、模块数量、支路阻抗等因素。
确定MMC的稳态功率运行范围是为了保证其在不同负载条件下的稳定工作。
在确定MMC的功率运行范围时，需要考虑以下几个因素：1. 温度限制：MMC模块在高功率情况下会产生较大的热量，超过一定温度会影响模块的可靠性和寿命。
需要考虑MMC的散热能力，以避免温度过高。
2. 电压限制：MMC的直流电压受到输入电压和输出电压的限制。
输入电压不应超过模块的额定电压，输出电压不应超过负载侧电压的限制。
3. 电流限制：MMC的输出电流应根据负载需求和线路容量来确定。
过大的输出电流会导致模块电流过载，影响其稳定性和寿命。
基于以上因素，我们可以采用以下方法来确定MMC的稳态功率运行范围。
二、MMC稳态功率运行范围的确定方法1. 确定模块参数：需要确定MMC的模块参数，包括每个模块的额定电压、电容容量和额定电流等。
这些参数可以通过MMC设计手册或厂家提供的数据获得。
2. 温度分析：根据MMC的模块参数和散热设计，可以进行温度分析，以确定MMC在不同负载条件下的温度分布和温度上限。
可以利用热传导模型和有限元方法进行仿真分析。
3. 电压分析：根据MMC的输入电压和输出电压要求，可以对MMC的电压进行分析。
输入电压应不超过模块的额定电压，输出电压应在负载电压限制范围内。
4. 电流分析：根据负载需求和线路容量，可以确定MMC的输出电流。
模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略摘要：本文提出了一种基于故障冗余容错控制策略的模块化多电平换流器，该控制策略主要利用仿真分析和故障诊断技术来实现故障发现和修复，从而保证系统稳定性和可靠性。
1.引言随着电力电子技术的不断进步和应用范围的不断扩大，模块化多电平换流器(Multilevel Modular Converters，MMC)已成为一种广泛应用的电力电子拓扑结构。
MMC 主要由多个电压等级的子模块单元组成，每个子模块单元的输入端都直接连接到信号源，在输出端与平滑电容串联输出。
MMC的优点是可实现各种电压等级的变换，同时也拥有更好的输出波形质量和更高的转换效率。
2.模块化多电平换流器的故障原因及分类模块化多电平换流器由多个电压等级的子模块单元组成，每个子模块单元的输入端都直接连接到信号源，在输出端与平滑电容串联输出。
MMC系统的故障类型可分为电路故障和元器件故障两类。
2.1 电路故障电路故障通常指电路导致系统不稳定或停机的故障，如控制回路失效、电容失效、短路、开路等。
2.2 元器件故障元器件故障通常指系统中某种元器件发生故障的情况，如IGBT故障、二极管故障等。
同时，由于MMC系统工作时需要承受较高的电压和电流等负荷，元器件故障对系统运行的影响也相对较大。
3.故障冗余容错控制策略针对MMC系统存在的故障问题，本文提出了一种基于故障冗余容错控制策略的MMC系统安全控制方案。
3.1 控制策略原理本控制策略主要采用故障冗余容错的思想，即在MMC系统中添加备用单元和备用控制器来实现故障恢复。
当MMC系统中某个单元或控制器发生故障时，备用单元和备用控制器将接管原有单元和控制器的工作，从而实现故障的隔离和恢复。
3.2 故障诊断技术故障诊断是实现故障冗余容错的重要环节，主要包括故障检测、故障定位和故障判断。
本文采用电流检测法和模型分析法来进行故障检测和定位，并结合模拟仿真数据对故障进行判断，可以提高故障检测的准确性和可靠性。
适用于模块化多电平换流器调制策略的比较性分析模块化多电平换流器（MMC）这种新型拓扑结构的出现极大地促进了柔性直流输电的发展，作为其关键技术之一的调制策略的选择至关重要。
本文首先介绍了MMC的工作原理，其次对于两种常用的适于模块化多电平的调制策略进行详尽的分析，最后比较最近电平与载波移相调制策略的优缺点，为MMC调制策略的选择提供了理论依据。
关键字：MMC；最近电平逼近；载波移相0 引言模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）作为一种级联型的变换器具有独特的结构和技术优势，其自身结构简单、高度模块化，扩容能力强，良好冗余性及较低的输出谐波等优点成为新一代柔性直流输电技术的核心设备。
MMC调制策略是直接影响MMC 性能的关键指标之一，其选择至关重要。
目前，可用于MMC 调制的策略主要有最近电平调制、载波移相脉宽调制、载波层叠脉宽调制、阶梯波调制、空间矢量脉宽调制等调制策略，其中较为广泛应用的是最近电平调制和载波移相脉宽调制[2-4]。
1 MMC的基本原理MMC由具有相同结构的三个相单元组成，每相含有上、下两个桥臂，N 个级联的子模块（SM）和一个电抗器串联而成构成一个桥臂单元，SM由两个IGBT、两个反并联二极管和一个电容器构成[1]。
MMC子模块共有三种工作模式，假设S1与S2分别表示两个IGBT的开关状态，定义S1=1表示高电平导通，S2=0表示低电平截止，S2的开关状态定义与S1相同。
当S1=1且S2=0时，子模块处于投入模式，此时，根据子模块电流ism方向的不同可以充电，也可以放电；当S1=0且S2=1时，子模块处于切除模式，此时子模块被旁路，电容电压保持恒定，不充电也不放电；当S1=0且S2=0時，子模块处于闭锁模式，此时子模块的工作状态一般是子模块电容器在故障时被旁路，或者用在启动MMC时对子模块电容器预充电。
2 MMC的调制策略2.1 最近电平逼近调制最近电平逼近（Nearest V oltage Level Modulation，NLM）方法是近期研究较为常用的一种适用于MMC调制控制的方法。
科技信息SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 2012年第5期科●0引言电力电子器件的不断发展，使得由这些器件构成的电压源转换器可以进行直流输电。
相对于传统的直流输电系统，电压源换流器型高压直流输电技术具有一系列的优点，可以实现有功和无功的快速解耦控制。
模块化多电平变换器（MMC ）具有级联型变换器的特点，比较容易实现向多电平拓展，而且可以实现直流侧的“背靠背”连接，十分适用于电压源高压直流输电系统和直驱型风力发电系统。
1MMC 的拓扑结构模块化多电平变换器（MMC ）的拓扑结构是一种新型的多电平变换器结构，它继承了级联式多电平变换器机构的优点，在此基础上，采用充电电容来代替独立电源，克服了难以向多电平发展的不足，同时也降低了每个开关器件所承受的应力。
从机构上来分，目前常见的模块化多电平变换器有三种：星形MMC 变换器、三角形MMC 变换器和双星形MMC 变换器结构。
由于星形和三角形结构的MMC 变换器很难拥有同一的直流端，不易构成变换器，所以我们以双星结构MMC 为例进行研究。
图1是双星形MMC 变换器的拓扑机构示意图，此种机构的MMC 变换器是由三个相同的桥臂组成，每个桥臂上下有相同结构和数目的子模块构成，中间通过两个缓冲电感相连。
子模块结构相同，都是由两个IGBT 串联后与充电电容并联。
由于这种结构都是由相同的模块组成，所以当一个子模块出现问题的时候，可以及时切除坏损模块，投入新模块，保证系统的正常运行。
同时也方便向更高电平拓展，可以通过控制子模块的数目来达到目的。
图1双星形MMC 变换器拓扑结构2MMC 变换器的工作原理多电平变换器的一般原理是由几个电平台阶合成梯形波以逼近正弦波，图1所示的为一个五电平的MMC 变换器的拓扑结构，通过控制子模块中的开关器件IGBT 可以使得子模块工作在不同的状态。
下面通过产生5电平电压的MMC 结构讲述下其具体工作过程。
