楊平 宋楚楚 馬秀林

摘要：此次研究中將針對模塊化多電平逆變器（Module Multilevel Convert， MMC）展開研究，首先就特定消諧脈寬調(diào)制（Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation， SHEPWM）控制方法與逆變器主電路的工作原理予以闡釋，利用MATLAB軟件進行了逆變器的SHEPWM控制仿真。仿真結果表明采用該方法可以控制MMC逆變器輸出特定次諧波被抑制的電壓波形，為基于SHEPWM控制方法的7電平MMC逆變器在新能源并網(wǎng)中的應用提供了較有價值的參考。

關鍵詞：模塊化多電平逆變器;特定消諧脈寬調(diào)制;諧波;新能源并網(wǎng);仿真

Simulation and Research of MMC inverter based on SHEPWM

YANG Ping1，SONG Chuchu2，MA Xiulin2

（State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 317000，China）

Abstract： This paper studies on the module multilevel convert （MMC） inverter， analyses the working principle of inverter main circuit and selective harmonic elimination pulse width modulation （SHEPWM） control method， using MATLAB to do inverter controlling simulation based on SHEPWM. The result of simulation shows that the method can control the MMC inverter output voltage waveform with selective harmonic be suppressed， provides a valuable reference of MMC inverter based on SHEPWM being applied in the new energy grid-connected.

Key words： Module multilevel convert; Selective harmonic elimination pulse width modulation; Harmonic; New energy grid-connected; Simulation

0引言

近年來，由于可持續(xù)發(fā)展理念逐步深入人心，光伏發(fā)電與風力發(fā)電等諸多可再生性的環(huán)保型能源實現(xiàn)了飛快發(fā)展。此類清潔新能源往往與負荷中心相距較遠、規(guī)模小、間歇性發(fā)電、分布分散等特征，如果直接并入電網(wǎng)，或許會不利于確保電網(wǎng)電能的質(zhì)量[1]。同時，傳統(tǒng)的交流輸電輸送能力不盡如人意，再加上這些清潔新能源發(fā)電的運營成本高等因素，采用交流輸電線路互聯(lián)的方案在技術方面與經(jīng)濟方面都缺乏優(yōu)勢，基于電壓源換流器（Voltage source converter， VSC）的柔性直流輸電（High Voltage Direct Current Flexible， HVDC Flexible）具備控制便捷、靈活、諧波性能好的優(yōu)點能夠很好的滿足這些清潔能源并網(wǎng)的要求。

在整個柔性直流輸電系統(tǒng)中，逆變器居于核心位置，其會對新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率、運行的穩(wěn)定性、可靠性以及輸入電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。與傳統(tǒng)的三電平、二電平逆變器相比，基于MMC通過子模塊的串聯(lián)實現(xiàn)多電平輸出，因此具有明顯的優(yōu)勢：由于各子模塊無需同步導通、關段處理，單個開關器件所承受的壓力與通斷頻率偏低;電平數(shù)量偏多，導致輸出的電壓總諧波畸變率減小;高度的模塊化易于成本的降低和運行之后的檢修更換等[3-6]。這些優(yōu)勢使得MMC在柔性直流輸電領域中迅速得以應用。

對于MMC而言， SHEPWM是一種理想的控制方法。與其他脈寬調(diào)制技術（Pulse Width Modulation， PWM）技術相比，SHEPWM技術具備開關器件的開斷頻率低、電壓利用率高、輸出波形質(zhì)優(yōu)、可實現(xiàn)特定優(yōu)化目標、損耗低等優(yōu)勢。

此次研究中，將重點對柔性直流輸電系統(tǒng)逆變器進行研究，首先就MMC主電路拓撲結構及其工作原理予以剖析，基于深入研究SHEPWM控制方法之上，構建柔性直流輸電系統(tǒng)逆變器的模型，并實施MATLAB仿真研究，從而得出相應的分析結果。

1MMC的拓撲結構

與傳統(tǒng)的鉗位電容型、二極管箝位型以及級聯(lián)型逆變器相比，MMC拓撲結構都運用模塊化設計。圖1為MMC逆變器的拓撲結構圖，所有橋臂均是依靠一個電抗器L與n個輸電系統(tǒng)子模塊（Sub Module， SM）組建起來的。所有SM參數(shù)與結構均是一致的，基本上是依靠直流儲能電容C與1個IGBT半橋組建起來的，具體為圖2。

2MMC逆變器工作原理

由圖2可知，子模塊內(nèi)部的兩個IGBT開關T1和T2的通斷決定其有三種工作狀態(tài)：1）T2關斷、T1導通的投入狀態(tài);2）T2與T2同步關斷的閉鎖狀態(tài);3）T1關斷與T2導通的切除狀態(tài)。

在處在狀態(tài)1的情況下，電容放電與充電狀態(tài)是由端口電流ism的方向所決定的。然而，ism的方向究竟怎樣，子模塊輸出電壓均屬于電容C的電壓UC。

當處于狀態(tài)2時，不管端口電流ism的方向怎樣，電容器C均無法接入到主電路內(nèi)，子模塊的輸出電壓均是0。

當處于狀態(tài)3時，若端口電流ism流入SM，則電流對電容器C充電，即為MMC啟動時的充電階段;如果端口電流ism流入子模塊，那么電容器C必定被旁路，此狀態(tài)可在故障時隔離子模塊電容器。當MMC逆變器運作正常時，根本不會處于閉鎖狀態(tài)。

MMC逆變器的機理為：投入并切除子模塊，從而實現(xiàn)多電平的輸出。在橋臂的子模塊數(shù)是N的情況下，可得到公式1的輸出的電平數(shù)nout的值。

nout=N+1? ? ? ? ? ? （1）

為了確保系統(tǒng)運行過程中直流側電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時輸出的是三相交流電壓，所有相單元就必須規(guī)定在任意時刻上下兩橋臂投入的子模塊數(shù)是N，由此可得到下列公式：

nua+nda= nub+ndb= nuc+ndc=N? ? （2）

在這個公式中，nd、nu分別表示的是下橋臂、上橋臂的子模塊投入數(shù)目。

單相橋臂的子模塊投入個數(shù)必須得互補投入、上下對稱，同時依據(jù)正弦波不斷變化，以使MMC逆變器輸出的波形接近正弦電壓要求。

3MMC逆變器SHEPWM控制方法

SHEPWM的基本原理是通過開關角的選擇已實現(xiàn)對特定次諧波的消除。SHEPWM的輸出電壓波形有兩種，如圖3所示，分別為低電平開始的、高電平開始的輸出電壓波形。通過對圖3的分析研究可知，SHEPWM電壓波形符合四分之一波偶對稱與半波奇對稱，其可橋除掉奇次諧波與偶次諧波的余弦項，公式3為波形的傅里葉展開公式。

（a）高電平開始的SHEPWM輸出電壓波形圖

（b）低電平開始的SHEPWM輸出電壓波形圖

在這個公式中，αi代表的是第i個開關角;N代表的是四分之一周期內(nèi)開關角的數(shù)量;an表示的是n次諧波幅值;n表示的是各次諧波與基波的次數(shù)。

針對此次研究的三相對稱系統(tǒng)來說，3的整數(shù)倍次諧波由于同相會自發(fā)的清除，因此消諧期間無需對此要素予以考慮。若四分之一周期內(nèi)開關角的數(shù)量為N時，假定基波幅值是參考電壓VREF，其他（N-1）個低階的高次諧波的幅值是0以用于將6k±1次諧波消除，那么可以得到：

約束條件為：0<α1<α2<...<αn<π/2。

經(jīng)過求解，可計算出四分之一周期中的開關角。然后按照波形的奇諧對稱性，計算出整個周期中的開關角。選擇該組開關角控制逆變器，其輸出PWM波形能夠有效確?；ǚ凳且?guī)定的數(shù)值，令N-1個指定階次的諧波幅值是0[7]。

4仿真分析與結果

通過Matlab/Simulink構建三相10kV、6子模塊的MMC逆變器仿真模型，針對SHEPWM控制與主電路拓撲控制策略進行驗證，具體可看表1中羅列的系統(tǒng)參數(shù)。

圖4代表的是逆變器輸出的兩相間的線電壓波形，通過對圖的分析可知，輸出的7電平電壓波形幅值大概是10.8kV，頻率為50Hz，已經(jīng)比較接近正弦波，然后以線電壓為客體，借助Powergui工具實施傅里葉分析，最后得到了圖5所呈現(xiàn)的結果。不難發(fā)現(xiàn)，5，7，11，13，17，19，23，25，29次諧波均被消除，同時，3的倍數(shù)次諧波會由于同相自動刪除，余下的諧波內(nèi)26次諧波的影響最大，但它屬于高次諧波，對系統(tǒng)的影響較小。以上所做的仿真結果和理論分析是一致的，從而驗證了基于SHEPWM調(diào)制方法的MMC逆變器模型的正確性。

5結論

本文先對MMC逆變器在新能源并網(wǎng)中的應用進行了闡述，基于此就MMC逆變器的工作原理及其主電路拓撲結構進行研究，同時對其采取SHEPWM控制方法實施必要的公式推導，然

后應用MATLAB軟件對7電平MMC逆變器的主電路做了采用SHEPWM控制方法的仿真計算分析，仿真結果為MMC逆變器在新能源并網(wǎng)中的應用提供了有價值的參考。

參考文獻

[1]林莉，孫才新，王永平，等.大容量風電場接入后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的計算分析與控制策略[J].電網(wǎng)技術，2008，32（3）：41-46.

[2]陳海榮，徐政.向無源網(wǎng)絡供電的VSC～HVDC系統(tǒng)的控制器設計[J].中國電機工程學報，2006，26（23）：42—48.

[3]Lesnicar A，Marquardt R.An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range[c]//Power Tech Conference Proceedings：Vol 3.Bologna，Italy：IEEE，2003.

[4]Li L，Czarkowski D，Yaguang L，et al.Multilevel selective harmonic elimination PWM technique in series-connected voltage inverters[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2000，36 （1）：160—170.

[5]Franquelo L G Rodriguez J，Leon J I，et a1.The age of multilevel converter arrives[J].IEEE Industrial Electronics Magazine，2008，2（2）：28—39

[6]韋延方，衛(wèi)志農(nóng)，孫國強，等.適用于電壓源換流器型高壓直流輸電的模塊化多電平換流器最新研究進展[J].高電壓技術，2012，38（5）：1243—1252.

[7]丁曉松，李志典，周琴英. SHEPWM技術應用研究[J].測控技術，2003，22（8）：51—54.

[8]管敏淵，徐政.模塊化多電平換流器型直流輸電的建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（19）;64—68.

[9]BOWES S，HOLLIDAY D，GREWAI S.Regular Sampled Harmonic Elimination PWM Control of Single-phase Two-level Inverters[J].IEE Proceedings—Electric Power Applications，2001，148（4）：309—314.

[10]Hagiwara M，Akagi H.Control and experiment of pulse width-modulated modular multilevel converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（7）：1737—1746.

[11]屠卿瑞，徐政，姚為正.模塊化多電平換流器型直流輸電電平數(shù)選擇研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，20l0，38（20）：33—44.

作者簡介：楊平，1986年出生，碩士研究生，研究方向：高壓直流輸電與柔性直流輸配電技術。

E-mail：yangping9198@163.com