基于SHEPWM的MMC逆變器的仿真研究

楊平 宋楚楚 馬秀林

摘要：此次研究中將針對(duì)模塊化多電平逆變器（Module Multilevel Convert， MMC）展開(kāi)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?zhuān)肕ATLAB軟件進(jìn)行了逆變器的SHEPWM控制仿真。仿真結(jié)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(yīng)用提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)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(lái)，由于可持續(xù)發(fā)展理念逐步深入人心，光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電等諸多可再生性的環(huán)保型能源實(shí)現(xiàn)了飛快發(fā)展。此類(lèi)清潔新能源往往與負(fù)荷中心相距較遠(yuǎn)、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(huì)不利于確保電網(wǎng)電能的質(zhì)量[1]。同時(shí)，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(yùn)營(yíng)成本高等因素，采用交流輸電線(xiàn)路互聯(lián)的方案在技術(shù)方面與經(jīng)濟(jì)方面都缺乏優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)能夠很好的滿(mǎn)足這些清潔能源并網(wǎng)的要求。

在整個(gè)柔性直流輸電系統(tǒng)中，逆變器居于核心位置，其會(huì)對(duì)新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率、運(yùn)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(guò)子模塊的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多電平輸出，因此具有明顯的優(yōu)勢(shì)：由于各子模塊無(wú)需同步導(dǎo)通、關(guān)段處理，單個(gè)開(kāi)關(guān)器件所承受的壓力與通斷頻率偏低;電平數(shù)量偏多，導(dǎo)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(yùn)行之后的檢修更換等[3-6]。這些優(yōu)勢(shì)使得MMC在柔性直流輸電領(lǐng)域中迅速得以應(yīng)用。

對(duì)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(shù)（Pulse Width Modulation， PWM）技術(shù)相比，SHEPWM技術(shù)具備開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷頻率低、電壓利用率高、輸出波形質(zhì)優(yōu)、可實(shí)現(xiàn)特定優(yōu)化目標(biāo)、損耗低等優(yōu)勢(shì)。

此次研究中，將重點(diǎn)對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)逆變器進(jìn)行研究，首先就MMC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理予以剖析，基于深入研究SHEPWM控制方法之上，構(gòu)建柔性直流輸電系統(tǒng)逆變器的模型，并實(shí)施MATLAB仿真研究，從而得出相應(yīng)的分析結(jié)果。

1MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的鉗位電容型、二極管箝位型以及級(jí)聯(lián)型逆變器相比，MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)。圖1為MMC逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，所有橋臂均是依靠一個(gè)電抗器L與n個(gè)輸電系統(tǒng)子模塊（Sub Module， SM）組建起來(lái)的。所有SM參數(shù)與結(jié)構(gòu)均是一致的，基本上是依靠直流儲(chǔ)能電容C與1個(gè)IGBT半橋組建起來(lái)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(gè)IGBT開(kāi)關(guān)T1和T2的通斷決定其有三種工作狀態(tài)：1）T2關(guān)斷、T1導(dǎo)通的投入狀態(tài);2）T2與T2同步關(guān)斷的閉鎖狀態(tài);3）T1關(guān)斷與T2導(dǎo)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(dāng)處于狀態(tài)2時(shí)，不管端口電流ism的方向怎樣，電容器C均無(wú)法接入到主電路內(nèi)，子模塊的輸出電壓均是0。

當(dāng)處于狀態(tài)3時(shí)，若端口電流ism流入SM，則電流對(duì)電容器C充電，即為MMC啟動(dòng)時(shí)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(shí)隔離子模塊電容器。當(dāng)MMC逆變器運(yùn)作正常時(shí)，根本不會(huì)處于閉鎖狀態(tài)。

MMC逆變器的機(jī)理為：投入并切除子模塊，從而實(shí)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(yùn)行過(guò)程中直流側(cè)電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)數(shù)必須得互補(bǔ)投入、上下對(duì)稱(chēng)，同時(shí)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(guò)開(kāi)關(guān)角的選擇已實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)始的、高電平開(kāi)始的輸出電壓波形。通過(guò)對(duì)圖3的分析研究可知，SHEPWM電壓波形符合四分之一波偶對(duì)稱(chēng)與半波奇對(duì)稱(chēng)，其可橋除掉奇次諧波與偶次諧波的余弦項(xiàng)，公式3為波形的傅里葉展開(kāi)公式。

（a）高電平開(kāi)始的SHEPWM輸出電壓波形圖

（b）低電平開(kāi)始的SHEPWM輸出電壓波形圖

在這個(gè)公式中，αi代表的是第i個(gè)開(kāi)關(guān)角;N代表的是四分之一周期內(nèi)開(kāi)關(guān)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(duì)此次研究的三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，3的整數(shù)倍次諧波由于同相會(huì)自發(fā)的清除，因此消諧期間無(wú)需對(duì)此要素予以考慮。若四分之一周期內(nèi)開(kāi)關(guān)角的數(shù)量為N時(shí)，假定基波幅值是參考電壓VREF，其他（N-1）個(gè)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(guò)求解，可計(jì)算出四分之一周期中的開(kāi)關(guān)角。然后按照波形的奇諧對(duì)稱(chēng)性，計(jì)算出整個(gè)周期中的開(kāi)關(guān)角。選擇該組開(kāi)關(guān)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(gè)指定階次的諧波幅值是0[7]。

4仿真分析與結(jié)果

通過(guò)Matlab/Simulink構(gòu)建三相10kV、6子模塊的MMC逆變器仿真模型，針對(duì)SHEPWM控制與主電路拓?fù)淇刂撇呗赃M(jìn)行驗(yàn)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(xiàn)電壓波形，通過(guò)對(duì)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(xiàn)電壓為客體，借助Powergui工具實(shí)施傅里葉分析，最后得到了圖5所呈現(xiàn)的結(jié)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(shí)，3的倍數(shù)次諧波會(huì)由于同相自動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的影響較小。以上所做的仿真結(jié)果和理論分析是一致的，從而驗(yàn)證了基于SHEPWM調(diào)制方法的MMC逆變器模型的正確性。

5結(jié)論

本文先對(duì)MMC逆變器在新能源并網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，基于此就MMC逆變器的工作原理及其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)其采取SHEPWM控制方法實(shí)施必要的公式推導(dǎo)，然

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

參考文獻(xiàn)

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

[2]陳海榮，徐政.向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC～HVDC系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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(guó)強(qiáng)，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(jìn)展[J].高電壓技術(shù)，2012，38（5）：1243—1252.

[7]丁曉松，李志典，周琴英. SHEPWM技術(shù)應(yīng)用研究[J].測(cè)控技術(shù)，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(dòng)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(hù)與控制，20l0，38（20）：33—44.

作者簡(jiǎn)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(shù)。

E-mail：yangping9198@163.com