基于pam与pwm混合调制的模块化级联多电平换流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种模块化级联多电平换流器，尤其是涉及一种基于PAM与PWM混合 调制的模块化级联多电平换流器。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器（MMC)因具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小和响应 速度快等优点，在高压大容量变流器场合得到越来越广泛的应用。
[0003] MMC的拓扑结构有多种，其中半桥型子模块（Half-Bridge-Module，HBM型子模 块）级联MMC拓扑被广泛使用，其结构如图1中的（la)所示，但是由于其无法处理公共 直流侧短路故障，限制了其运行稳定性。为解决这一问题，相关学者提出了全桥型子模块 (Full-Bridge-Module，FBM型子模块）级联MMC拓扑，其结构如图1中的（lb)所示，由于该 拓扑结构导致功率器件增加了一倍，增加了 MMC装置成本，限制了其规模化推广应用。
[0004] MMC的输出电压的控制方法上分为脉冲幅值调制（PAM)的阶梯波叠加控制方法和 脉冲宽度调制（PWM)的移相叠加控制方法。
[0005] 脉冲幅值调制（PAM)的阶梯波叠控制策略是通过预先选取的不同开关角度，使每 个子模块输出电压进行叠加，形成接近调制信号波形的输出电压，其目的是消除输出电压 中的低次谐波，并使输出电压总谐波畸变率最小，由于其开关频率极低，因此其开关损耗较 小。但在实际运行中要求子模块级联数目较高，否则会因输出电压阶梯数较少，而导致其输 出电压中谐波含量增大。且该控制策略还存在各个子模块直流测电压波动大和输出功率不 平衡的缺陷，这些缺陷将会严重影响MMC装置的运行稳定性。
[0006] 脉冲宽度调制（PWM)的移相叠加控制方法是通过比较调制波与载波，控制每个子 模块开关器件的通断，且通过每个子模块输出波形的移相叠加作用，等效提高MMC的开关 频率，从而实现对输出波形的精确控制和取得较高的动态响应时间。但是其各个子模块开 关频率较高，因此其开关损耗较大，而谐波含量较小。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于PAM与PWM 混合调制的模块化级联多电平换流器，有效降低其输出侧电压的谐波含量，实现了对MMC 输出波形的快速、精确控制。
[0008] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009] 一种基于PAM与PWM混合调制的模块化级联多电平换流器，所述模块化级联多电 平换流器的任一桥臂均包括2N个HBM型子模块和2M个FBM型子模块，其中，M个FBM型子 模块和N个HBM型子模块级联成上桥臂，N个HBM型子模块和M个FBM型子模块级联成下 桥臂；
[0010] 所述2N个HBM型子模块构成PAM调制单元，其中的每个HBM型子模块均采用基频 PAM调制方式；
[0011] 所述2M个FBM型子模块构成PWM调制单元，其中的每个FBM型子模块均采用高频 PWM调制方式。
[0012] 所述N大于M。
[0013] 所述FBM型子模块采用双闭环跟踪方法对HBM型子模块所叠加的阶梯波进行谐波 分量补偿。
[0014] 所述HBM型子模块采用基于环流抑制的子模块电压排序法和子模块PAM调制信号 轮换法进行直流侧电压控制。
[0015] 所述子模块电压排序法具体为：
[0016] 判断当前工作状态，若当前工作状态为充电状态，则根据设定的投入数n，只投入 n个直流电压最低的模块，若当前工作状态为放电状态，则根据设定的投入数n，只投入n个 直流电压最高的模块。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0018] 1、针对MMC拓扑结构进行优化，本发明采用HBM子模块和FBM子模块混合级联方 案，即MMC的每相桥臂绝大部分子模块采用半桥型子模块，极少部分子模块采用全桥型子 模块，有效地减少了装置中开关器件的数量，降低了装置成本，并使得MMC具备公共直流侧 短路的处理能力；
[0019]2、本发明采用PAM+PWM混合调制，每个HBM型子模块采用PAM调制，都工作于基频 开关频率下，HBM型子模块采用基频优化PAM方法使MMC输出阶梯波逼近正弦波；每个FBM 模块采用高频PWM调制，都工作在高频开关频率下，FBM模块采用双闭环跟踪方法，对HBM子 模块所叠加的阶梯波进行谐波分量补偿，从而实现了对MMC输出波形的快速、精确控制；
[0020] 相对全部采用PWM调制，MMC装置的开关损耗较小；相对全部采用PAM调制，MMC能 够有效地降低输出电压、电流畸变率，提高装置控制精度和动态响应速度；
[0021] 3、本发明考虑HBM子模块直流侧电压波动是因为能量在各个子模块之间分配的 不平衡问题，本发明采用基于环流抑制的子模块电压排序法和子模块PAM调制信号轮换 法，补偿电压较低子模块的能量，吸收电压较高子模块的能量，使得能量在各个模块中重新 平衡，并且各子模块直流侧电压的二倍频分量得到抑制，减小其电压的波动；
[0022] 4、本发明采用PAM+PWM混合的方式对MMC进行调制，以实现装置的极低频调制技 术，降低装置运行损耗。
【附图说明】
[0023] 图1为现有的MMC的拓扑结构示意图；
[0024] 其中，（la)为半桥型子模块示意图，（lb)为全桥型子模块示意图；
[0025] 图2这本发明基于混合调制的MMC拓扑结构图；
[0026] 图3为PAM+PWM混合调制的原理图；
[0027] 其中，（3a)为HBM型子模块单元输出电压叠加形成的阶梯波，（3b)为FBM型子模 块单元PWM调制的参考调制信号，（3c)为FBM型子模块单元PWM调制脉冲信号，（3d)为 PAM+PWM混合调制信号波形；
[0028] 图4为FBM型子模块的PWM调制波产生方式示意图；
[0029] 图5为直流侧电压平衡的基于环流抑制的子模块电压排序方法中的环流抑制框 图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0031] 本实施例提供一种基于PAM与PWM混合调制的模块化级联多电平换流器，如图2 所示，该模块化级联多电平换流器的任一桥臂均包括2N个HBM型子模块和2M个FBM型子 模块，其中，M个FBM型子模块（FBMU1~M)和N个HBM型子模块（HBMU1~N)级联成上桥 臂，N个HBM型子模块（HBMD1~N)和M个FBM型子模块（FBMD1~M)级联成下桥臂，N远 大于 M，N>4M。
[0032] 2N个HBM型子模块构成PAM调制单元，其中的每个HBM型子模块有+E、0 (E为每 个电容的电压值）两个电平，且每个HBM子模块都采用基频PAM调制技术，通过输出电压叠 加，逼近参考调制信号。2M个FBM型子模块构成PWM调制单元，其中的每个FBM型子模块均 采用高频PWM调制方式，并采用双闭环跟踪方法对HBM型子模块所叠加的阶梯波进行谐波 分量补偿。由于PWM调制过程中对MMC输出电压、电流进行谐波补偿，所以有效的降低输出 电压、电流的谐波畸变率。本发明提出的PAM+PWM方法综合了两者的优点，能够兼顾开关损 耗和输出电流谐波含量，并且提高了装置控制精度和响应速度。
[0033] 图3是PAM+PWM混合调制的原理图，其中（3a)为HBM型子模块单元输出电压叠 加形成的阶梯波--U PAM= uf+uh，其中uf为输出阶梯波的基波电压，约等于参考调制信号； %为输出阶梯波的谐波电压；（3b)所示为FBM型子模块单元PWM调制的参考调制信号-- UpwMifi U Mf-UPAM,其中混合调制的总参考调制信号为uMf;(3c)所示为FBM型子模块单元 PWM调制脉冲信号；（3d)为PAM+PWM混合调制信号波形--u all= u PWM+uPAM。
[0034] 图4是FBM型子模块的PWM调制波产生方式，其中各HBM型子模块采用PAM调制， 因而功率开关器件工作在基波开关频率下；各FBM型子模块采用PWM调制，因而功率开关器 件工作在较高的开关频率下。HBM型子模块输出阶梯波电压u PAM。PWM单元的调制波％_满 足
[0035] uPWM= u ref-uPAM= u ref-(uf+uh) = -uh
[0036] 其占空比满足：
【主权项】
1. 一种基于PAM与PWM混合调制的模块化级联多电平换流器，其特征在于，所述模块化 级联多电平换流器的任一桥臂均包括2N个HBM型子模块和2M个FBM型子模块，其中，M个 FBM型子模块和N个HBM型子模块级联成上桥臂，N个HBM型子模块和M个FBM型子模块级 联成下桥臂； 所述2N个HBM型子模块构成PAM调制单元，其中的每个HBM型子模块均采用基频PAM 调制方式； 所述2M个FBM型子模块构成PWM调制单元，其中的每个FBM型子模块均采用高频PWM 调制方式。
2. 根据权利要求1所述的基于PAM与PWM混合调制的模块化级联多电平换流器，其特 征在于，所述N大于M。
3. 根据权利要求1所述的基于PAM与PWM混合调制的模块化级联多电平换流器，其特 征在于，所述FBM型子模块采用双闭环跟踪方法对HBM型子模块所叠加的阶梯波进行谐波 分量补偿。
4. 根据权利要求1所述的基于PAM与PWM混合调制的模块化级联多电平换流器，其特 征在于，所述HBM型子模块采用基于环流抑制的子模块电压排序法和子模块PAM调制信号 轮换法进行直流侧电压控制。
5. 根据权利要求1所述的基于PAM与PWM混合调制的模块化级联多电平换流器，其特 征在于，所述子模块电压排序法具体为： 判断当前工作状态，若当前工作状态为充电状态，则根据设定的投入数n，只投入n个 直流电压最低的模块，若当前工作状态为放电状态，则根据设定的投入数n，只投入n个直 流电压最高的模块。
【专利摘要】本发明涉及一种基于PAM与PWM混合调制的模块化级联多电平换流器，所述模块化级联多电平换流器的任一桥臂均包括2N个HBM型子模块和2M个FBM型子模块，其中，M个FBM型子模块和N个HBM型子模块级联成上桥臂，N个HBM型子模块和M个FBM型子模块级联成下桥臂；所述2N个HBM型子模块构成PAM调制单元，所述2M个FBM型子模块构成PWM调制单元。与现有技术相比，本发明采用PAM与PWM混合调制的方法，有效降低了系统开关损耗和输出电压、电流谐波畸变率，提高了输出参数的控制精度和动态响应速度，并可解决HBM子模块直流侧电压和功率输出不平衡的问题。
【IPC分类】H02M7-483, H02M7-501
【公开号】CN104682751
【申请号】CN201510091968
【发明人】姚钢, 周荔丹
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月2日