一种适用于mmc的基于共模注入的最近电平逼近调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子控制技术领域，具体设及一种适用于MMC的基于共模注入的 最近电平逼近调制方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器（ModularMultilevelConverter,MMC)自 2002 年问世W 来，W模块化程度高、输出波形质量好、阶跃电压低、器件开关频率低等特点，日益成为高压 直流化i曲VoltageDirect化rrent，HVDC)输电系统中最具发展前景的换流器拓扑结构 之一。
[0003] 受益于开关频率低的特点，MMC系统的开关损耗较低；而为保证交流侧输出波形 质量，MMC中需包含大量子模块，受制于此，其损耗相较于传统多电平拓扑较高。损耗的增 加不仅使散热设计难度增大，对开关器件应力也提出来更高的要求。因此，合理控制MMC 损耗是MMC设计中的重点之一。目前投入运行的MMC-HVDC项目中大多采用半桥子模块 (化1巧ridgeSub-Mo化le，皿SM)结构，该结构功率器件数量少、系统成本低、运行效率高， 但无论该子模块处于投入还是切除状态，其中均有一开关管处于导通状态。受制于此，MMC 的导通损耗占据了总损耗的主导地位，有效降低导通损耗将对系统损耗控制产生关键性作 用。
[0004] 现有MMC的损耗控制有W下两种途径；1)提升器件性能；2)优化控制算法。前者 要求从导通压降、开关时间等方面优化器件，并在硬件上进行升级，因此难度较大，成本较 高。而后者并不需要升级硬件，因而成本较低，实现较易，是实现MMC损耗控制的理想途径。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种适用于MMC的基于共模 注入的最近电平逼近调制方法，可有效降低MMC子模块数量，从而在相同电流水平下有效 降低系统导通损耗，使MMC系统损耗得到合理优化。
[0006] 一种适用于MMC的基于共模注入的最近电平逼近调制方法，包括如下步骤：
[0007](1)根据控制需求，计算出下一时刻MMC的S相调制电压U。~U。；
[0008](2)通过比较确定MMCS相调制电压~U。中的调制电压最大值U和调制电压 最小值Umin;
[000引做根据所述的调制电压最大值IW和调制电压最小值Umi。，计算所需注入的共模 分量Uccm;
[0010] (4)根据所述的共模分量U。。。，计算出下一时刻注入共模分量后MMC的S相调制电 压U。'~V;
[0011]妨根据所述的S相调制电压心~V，利用最近电平逼近法计算出下一时刻MMC 各桥臂所需投入的子模块个数；
[0012](6)对于MMC任一桥臂，检测当前该桥臂各子模块的电容电压W及桥臂电流，进而 根据各子模块电容电压的大小w及桥臂电流的方向，确定下一时刻该桥臂所需投入及切除 的子模块，并在下一时刻对该些子模块进行投切控制。
[0013] 进一步地，所述的步骤（3)中通过W下公式计算共模注入分量U。。。；
[0014]
[0015] 进一步地，所述的步骤（4)中通过W下公式计算下一时刻注入共模分量后MMC的 S相调制电压U。'~U。' ；
[0016]
[0017] 进一步地，所述的步骤（6)中对于MMC任一桥臂，确定下一时刻该桥臂所需投入及 切除的子模块，具体过程如下：
[0018] 根据子模块电容电压的大小，对该桥臂上的所有子模块进行排序，形成子模块队 列；
[0019] 若当前桥臂电流流向为充电方向，则从子模块队列中提取电容电压最小的N个子 模块，并确定该N个子模块在下一时刻投入，其余子模块在下一时刻切除；
[0020] 若当前桥臂电流流向为放电方向，则从子模块队列中提取电容电压最大的N个子 模块，并确定该N个子模块在下一时刻投入，其余子模块在下一时刻切除；其中；N为下一时 刻该桥臂所需投入的子模块个数。
[0021] 本发明将共模分量注入S相最近电平逼近调制波，共模注入引入的"削顶"降低了 相电压幅值水平，从而在子模块电压不变的情况下有效降低了桥臂所需子模块数（为保证 直流侧电压水平不变，引入共模注入后，桥臂中每时刻至少存在一个投入的子模块）；而由 于=相共模分量相同，注入后=相系统线电压水平不变。因此，本发明在功率传输水平不变 的情况下，有效降低MMC所需子模块数，从而在相同电流水平下有效降低MMC导通损耗，使 MMC系统总损耗得到合理优化。
【附图说明】
[0022] 图1为单端S相模块化多电平换流器的拓扑结构图。
[0023] 图2为最近电平逼近调制方式的波形示意图。
[0024] 图3为半桥子模块的结构示意图。
[00巧]图4(a)和图4(b)分别为MMC半桥子模块结构两种开关状态下充放电状态示意 图。
[0026] 图5为本发明基于共模分量注入的最近电平逼近MMC调制方式的波形示意图。
[0027] 图6为本发明基于共模分量注入的最近电平逼近MMC调制方法的流程示意图。
[002引 图7为101电平MMC仿真系统框图。
[002引图8为传统NLM(N= 100)与本发明（N' = 94)系统导通损耗对比示意图。
[0030]图9为传统NLM(N= 100)调制下a相上桥臂电压（Up。）与本发明（N' = 94)调制 下a相上桥臂电压（Up。'）对比示意图。
[003。图10为传统NLM(N=100)调制下有功、无功功率化q)与本发明（N'=94)调 制下有功、无功功率（d'，q'）传输情况对比示意图。
【具体实施方式】
[0032] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 进行详细说明。
[0033] 如图1所示，单端立相模块化多电平换流器（MMC)的基本单元为子模块 (Sub-Mcxlule，SM)，N个子模块级联与一个桥臂电感串联构成一个桥臂，上下两个桥臂串联 构成一个相单元。S相MMC换流器含有S个相单元，6个桥臂，6N个子模块。直流侧母线电 压为Ud。，交流侧S相相电压分别为U。、Ub和U。。0点为零电位参考点。
[0034]MMC换流器的调制方法由多电平换流器的PWM调制方法衍生而来，MMC同时又具 有电平数较多的特点，实际工程中MMC换流器可达到几百电平，空间矢量PWM调制方法不 适用在MMC换流器中，针对电平数较多的换流器可采用最近电平逼近调制（NearestLevel Mo化lation，NLM)，NLM具有计算量小，开关频率低等优点。图2为NLM调制方法的示意图。
[0035] MMC中的电容电压平衡影响直流母线的电压恒定、交流侧电压的输出波形质量及 S相中环流大小，将电容电压的排序比较加入MMC的调制中可W在不增加硬件的情况下平 衡子模块中的电容电压。采用最近电平调制方法确定桥臂中投入电容数，检测桥臂电流方 向，判断桥臂中投入电路电容的充放电情况。电容处在充电状态时，投入电压较低的电容； 电容处于放电状态时，投入电压较高的电容。
[0036] 本实施方式中，MMC采用如图3所示的MMC半桥子模块结构，该子模块结构包括两 个IGBTSi、S2(带反并二极管〇1、〇2)和一个直流电容。
[0037] 图4为本