模块化多电平变换器的最近电平逼近调制算法仿真分析文献综述

 2022-09-14 18:54:33

文献综述(或调研报告):

模块化多电平变换器的最近电平逼近调制算法仿真分析文献综述

现阶段已有相关文献对模块化多电平变换器及其调制方法展开不同程度的研究,最近电平逼近调制算法也是其中一种调制方法。并且在传统的最近电平逼近调制算法的基础上,针对MMC子模块数量较小也提出了一些改进的最近电平逼近调制算法。

当前常见的电压型多电平变换器有着较多缺点。中点钳位型随着电平数的增加,其所需的电子器件数量也会急剧增加,从而使得成本快速升高,令其在工程实践中有一定的限制。级联型多电平变换器没有公共的直流母线,在遇到需要有功能量处理的场合,其各单元分别需要独立的直流供电电源,需要多绕组隔离变压器进行整流,从而使得系统的复杂程度和成本极大的升高。针对上述问题,德国学者Marquardt R.提出了模块组合多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的拓扑结构。MMC不仅采用了模块化的结构设计,同时还拥有公共直流母线,从而可以直接运用于中高压大功率有功变换场合。MMC通过调整子模块串联个数来实现电压和功率等级的灵活变动,可以扩展到任意电平输出。相对于传统的多电平变换器,MMC 结构有着明显较小的谐波含量以及电磁干扰。 另外,由于能量分散地存放在桥臂各个子模块当中,系统故障穿越能力得到了提升[1]

MMC的结构以模块化N 1电平变换器为例,其由6N个子模块组成,每相有2N个子模块,上、下桥臂各包含N个依次串联的子模块和一个桥臂电感L,每相的输出从两个桥臂电感之间引出。其子模块有较多种类,大致如下:

  1. 半桥子模块:最早提出的、也是应用最广泛的子模块,上、下两个开关管互补导通,输出电压有电容电压和零两个电平,目前绝大部分已经建成的或者在建的基于MMC的直流输电工程均采用的是半桥子模块。
  2. 全桥子模块:在输出同等电平数的情况下,全桥子模块使用的开关器件是半桥子模块的两倍,而且始终有两个开关器件投入电路,导通损耗较大。
  3. 双箝位子模块:其使用的开关管介于全桥子模块和半桥子模块之间,导通损耗也是介于两者之间,因此双箝位子模块在未来的基于MMC的直流输电工程中具有广阔的前景。

MMC由大量的子模块构成,子模块数越多,直流侧的电压可以越高,等效开关频率越高,交流侧输出电压的谐波含量越小,但是控制系统越复杂,控制成本越高,因此相关学者提出了一种折中的办法,将原来的子模块替换为传统的箝位型或者飞跨电容型三电平模块,这样可以使用更少的子模块实现同样的功能[2]

MMC拓扑作为多电平拓扑的一种,理论上可以采用适用于多电平的各种调制策略,如空间矢量调制、特定谐波消去调制等方法。但是考虑到应用于直流输电系统场合中,MMC换流器的电平数经常达到几十甚至上百,所以MMC的调制策略和普通的多电平调制又有所区别。在文献中人们主要集中研究的调制策略可以概括分为载波层叠PWM( Carrier Stacked PWM)、载波移相PWM ( Carrier Phase Shifted PWM)和阶梯波调制 [3]- [4]

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