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1 第 39 卷第 10 期煤炭学报 Vol. 39 No 年 10 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Oct 郑征, 崔灿, 张朋. 基于模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制 [ J]. 煤炭学报,2014,39(10): doi: / j. cnki. jccs Zheng Zheng,Cui Can,Zhang Peng. Control method and topology for high voltage frequency converter based on Modular Multilevel Converter[ J]. Journal of China Coal Society,2014,39(10): doi: / j. cnki. jccs 基于模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制 郑征, 崔灿, 张朋 ( 河南理工大学电气工程与自动化学院, 河南焦作 ) 摘 要 : 为使煤矿设备高效利用能源, 达到节能减排的目的, 提出了基于模块化多电平换流器 (Modular Multilevel Converter,MMC) 的新型高压变频器 概述了其基本结构, 分析了 MMC 拓扑及 工作机制 以逆变侧为研究对象, 建立 MMC 数学模型, 采用建模排序法控制子模块电容电压稳定 平衡, 通过与不同调制算法对比, 载波正负反相层叠脉冲宽度调制技术 (POD-PWM) 的优势得以凸 显 以 Matlab-Simulink 及 RT-Lab 半实物仿真设备为实验平台, 搭建上位机控制器, 实验结果显示 换流器运行正常 电容电压稳定平衡, 输出电能质量高, 谐波含量小, 证明了提出的载波正负反相层 叠与电压稳定平衡控制相结合的控制策略的可行性, 并得出了实验条件下的最佳三角载波频率 关键词 : 高压变频器 ; 模块化多电平换流器 ; 调制算法 ; 建模排序法电压稳定平衡控制 ;RT-Lab 中图分类号 :TD611 文献标志码 :A 文章编号 : (2014) Control method and topology for high voltage frequency converter based on Modular Multilevel Converter ZHENG Zheng,CUI Can,ZHANG Peng ( School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo ,China) Abstract: The fundamental concept of high voltage frequency converter based on Modular Multilevel Converter ( MMC) was proposed. To investigate the inverter side,a mathematical model was built through the analysis of the topological structure and working mechanism of MMC. Subsequently the model was controlled by modeling sequencing method to achieve the goal of capacitor voltage stabilization and balancing. Through the comparisons with different methods,the advantage of carrier phase opposition disposition pulse wih modulation ( POD - PWM) was found. A simulation and experiment had been carried out using Matlab-simulink and Rt-Lab. The result shows that the converter works properly and the capacitor voltage is in a steady state. The output waveform contains few harmonic waves. Therefore the feasibility of POD-PWM and the voltage balancing control methods are verified by the experiment. The best frequency of triangle carrier wave is proposed herein. Key words:high voltage frequency converter;modular Multilevel Converter;modulation algorithms;voltage stabilization and balancing control;rt-lab 随着工业发展, 能源矛盾日益突出, 节能减排已 成为我国基本国策 煤矿企业既是产能大户, 也是耗 能大户, 矿用大型动力设备主要包括提升机 运输机 风机 水泵等高压大功率装置 目前, 传统电压源型 收稿日期 : 责任编辑 : 许书阁基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( , ) 作者简介 : 郑征 (1965 ), 女, 河南南阳人, 教授 Tel: , zhengzh@ hpu. edu. cn

2 第 10 期郑征等 : 基于模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制 2129 交 - 直 - 交高压变频器, 其拓扑无论是二极管箝位型结构 飞跨电容型结构 H 级联桥串联结构等, 大都无法实现四象限运行, 这种变频器不能直接用于像矿用提升机等需要快速启动 制动, 频繁正反转的调速系统, 且制动能量无法直接回馈给电网, 不能达到节能的效果 ; 同时还存在网侧电流波形畸变严重, 含有大量的低次谐波, 形成电力公害等问题 [1-6], 一定程度上造成了煤矿生产成本的升高 近些年, 模块化多电平变换器 (modular multilevel converter,mmc) 受到广泛关注 [7], 它继承了 H 桥级联结构的优势, 通过功率单元的级联实现多电平输出 每个功率单元由一个两电平桥臂构成, 且所有的电容处于悬浮状态, 由于存在公共直流母线, 可采用单一直流电压而不需要多绕组变压器 [8], 该换流器产生谐波少 开关损耗与畸变率低, 在高压直流输电方向, 已有 2 项工程投入运行, 分别是西门子公司承建的美国旧金山市 Trans Bay Cable 和我国电力科学研究院在上海建立的南汇风电场柔性直流输电工程 [9] ; 本文将此新型变换器应用于煤矿设备, 可以达到节能减排 高效利用能源的目的 本文简述了高压变频器拓扑结构, 基于 MMC 的高压变频器, 整流侧 逆变侧采用完全相同的拓扑结构, 因此工作机制相同 本文以逆变侧为分析对象, 建立换流器的开关函数模型, 通过对各个子模块电容电压检测 排序 充放电来实现电容电压平衡控制, 同时采用建模法控制电容电压的稳定, 并对比不同调制技术优劣 最后在 Matlab-Simulink 及 RT-Lab 环境下建立模型进行仿真验证 在的问题, 且其结构应用前景广泛 图 1 基于 MMC 的变频器拓扑结构 Fig. 1 Topological structure for frequency converter based on MMC 2 MMC 拓扑结构及其工作机制 MMC 拓扑结构如图 2 所示, 换流装置由 A,B,C 三相组成, 每一相分为上 下两个桥臂, 每个桥臂由 N 个完全相同的子模块 ( Sub-Modular,SM) 级联而成 每个桥臂子模块可以进行有选择的控制, 从而可将其等效为一个可控理想电压源, 作为逆变器使用时, 通过控制每个桥臂子模块导通状态, 就可以在输出端得到所需的正弦电压 该换流器结构简单, 能够实现四象限运行, 弥补了传统换流装置的一些不足, 输出电能质量高 换流器正常运行时, 任意时刻, 每一相投入的子模块总数为 N, 这样既可产生具有 N+1 种电平的阶梯波 随着子模块数目增加, 多电平叠加产生的阶梯波可逐渐逼近正弦波形式 电平数增加, 主电路结构也随之改变, 需增加开关管, 但增多的仅是低压低频开关器件, 减少开关损耗同时, 利用低压器件进行分压, 实现高压大功率电能变换 1 高压变频器拓扑结构 该新型高压变频器, 如图 1 所示, 变频器在输入端, 通过基于 MMC 多电平整流模块直接级联的方式取消了传统的移相式高压变频器的工频变压器, 由于存在公共直流母线, 通过对直流母线电压的控制实现输入输出功率的变换 与 H 桥级联式多电平变换器相比, 大大简化了电路结构, 且使得故障检测及控制变得简单 ; 其次, 该高压变频器网侧和负载侧形成背靠背的对称结构, 均采用全控器件组成, 因此, 该变频器通过逆变侧为电机提供高质量三相交流电源同时, 还能将再生电能通过整流测回馈电网 最后, 由于 MMC 允许使用标准化元件, 可以在采用相同器件的前提下向不同的功率和电压等级扩展, 因此无需使用变压器就可以应用在矿用动力设备 高压直流输电 牵引供电等中高压大功率场合 由此可见, 基于 MMC 的高压变频器可以克服传统的高压变频器所存 图 2 MMC 拓扑结构 Fig. 2 Structural diagram of MMC topology 子模块可分为上 下两个桥臂, 共有 6 种工作模式, 可分为闭锁 切出 投入 3 种工作状态, 当系统出现故障时, 子模块两个 IGBT 全部被关断, 处于闭锁状态, 正常工作时每个子模块都处于投入或者切出状态, 如图 3 所示

3 2130 煤炭学报 2014 年第 39 卷 图 5 A 相简化电路结构 Fig. 5 Simplified structure for A phase 图 3 SM 工作状态 Fig. 3 Working states for SM 3 建模法 MMC 电容电压稳定控制 MMC 系统采用相同子模块级联而成, 所以三相运行状态完全相同, 本文分析皆以图 4 中 A 相 7 电平为例 子模块电容电压平衡 稳定是 MMC 系统正常运行前提, 本文采用排序法控制电容电压平衡 [10], 限于篇幅此处不再赘述 以此为基础 [11-14], 下面进行建模法电压稳定控制的详细分析 u OM = u th u out = R out i out + L out di out 由式 (9) 推得 di out = L di out L di out (8) + u th (9) L + L out (u out - R out i out - u th ) (10) 根据电感 电容中电压电流关系公式可得 di P du CPi = u - u AO MO, di N = u - u MO BO L L = 1 C i i P S i, du CNi = 1 C i i N (1 - S i ) 根据以上推导的数学公式, 建立准确的数学模 型, 即可得控制子模块电容电压稳定的框图 ( 图 6) 图 4 A 相电路结构 Fig. 4 Circuit structure for A phase 当系统的子模块投入运行时, 子模块的输出电压为并联电容的电压值 U C ; 切出时, 子模块输出电压为 0, 由此可将桥臂子模块的数学模型用开关函数 S [15] 来表达, 即 S = 1, 上桥臂开 { (1) S = 0, 下桥臂开 u AO = u PO - 6 u CPi S i (2) i = 1 u BO = - u ON + 6 u CNi (1 - S i ) (3) i = 1 u AB = u AO - u BO (4) 式中,u CPi,u CNi 为上 下桥臂第 i 个子模块电容电压 不接负载时, 设 M 和 O 点之间的电压为 u th 则 u MA = u BM = - u AB / 2 (5) u th = u MA + u AO = - u BM + u BO (6) 由式 (5),(6) 得 u th = - u AB / 2 + u AO = u AB / 2 + u BO (7) 将图 4 所示电路等效简化, 结构如图 5 所示 图 5 中, L th = L / / L = L / 2, 由基尔霍夫电压定律得 图 6 SM 电容电压稳定控制流程 Fig. 6 Control flow chart for SM capacitor voltage 4 调制算法对比分析目前 MMC 调制策略主要有阶梯波脉宽调制技术 消除特定次谐波调制 移相多载波调制技术 开关频率最优化, 空间矢量 PWM 等, 上述调制方法均有可能因开关频率过高而带来较大的损耗, 使功率器件的开关频率潜能得不到充分发挥, 尤其在多电平高压变换电路中, 该问题尤为严重, 载波层叠调制技术, 在消除电压谐波方面具有一定优势, 同时通过提高等效开关频率 减小系统损耗 目前, 载波层叠调制分为 : 同相层叠 (PD-PWM) 正负反向层叠(POD-PWM) 交替反向层叠 (APOD-PWM), 如图 7 所示 理论上任何时变波形都可以用式 (11) 所示的无限序列正弦波分量表示, 其中第 k 次谐波分量的幅值 C k 由傅里叶积分表示为式 (12), 利用双重傅里叶变换得到谐波的统一表达式 (13), 式中第 1 项为直流

4 第 10 期郑征等 : 基于模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制 2131 数据,POD-PWM 法输出效果最佳, 总谐波畸变率低, 仅含有少量高次谐波, 尤其是相电压谐波含量最少 Table 1 表 1 MMC 仿真参数 Parameters of modulation for MMC 模型参数 符号 数值 半个桥臂子模块数目 N 6 子模块电容 / mf C 5 桥臂电感 / mh L 0. 7 三角载波频率 / / khz f c 10 正弦调制波频率 / Hz f s 50 直流母线电压 / kv U d 200 表 2 3 种调制方法输出电压 电流的 THD Table 2 The THD data of output voltage and current for three different modulations % 调制方法 POD-PWM PD-PWM APOD-PWM 图 7 载波层叠调制技术分类 Fig. 7 Classification for carrier wave disposition modulation 分量, 第 2 项为基波, 第 3 项为载波谐波, 第 4 项为载波边带谐波 线电流 相电压 F(t) = A 00 / 2 + m = 1 F(ωt) = C k e jkωt (11) - C k = a k + jb k = 1 T T/ 2 n = 1 -T/ 2 F(t)e -jkωt (12) [A 0n cos(nω 0 t) + B 0n sin(nω 0 t)] + [A m0 cos(nω c t) + B m0 sin(nω c t)] + n = 1 [A mn cos(mω c t + nω 0 t) + B mn sin(mω c t + nω 0 t)] (13) 经过适当数学变换, 多电平多载波 PWM 控制法 所得到的输出电压表达式都可由式 (13) 中的部分或 全部谐波分量组成, 因此从理论上可以得到任何多电 平多载波 PWM 法的准确式子, 但实际推导过程十分 复杂, 很难得出相应表达式, 所以在研究多电平多载 波调制方法中寻找最佳载波频率时, 以理论为基础, 通过仿真实验来得到相应结果是较好的一个方 式 [16] 经实验研究, 从消除谐波程度来看,POD-PWM 的性能最好,PD-PWM 次之,APOD-PWM 效果最差 在 Matlab - Simulink 仿真环境下搭建三相七电平 MMC 逆变器模型, 进行仿真验证, 模型参数见表 1 仿真结果如表 2 图 8 所示, 在相同条件下, 对比 Fig. 8 图 8 POD-PWM 法输出电压 电流波形分析 The output voltage and current analysis for POD-PWM

5 2132 煤炭学报 2014 年第 39 卷 图 9 为子模块电容电压从启动到稳定的动态过程波形 换流器正常运行时, 子模块电容电压在 kv 左右浮动, 与理论计算值 kv 十分接近 仿真步长为 50 μs, 所以从启动到子模块电容电压稳定, 只需 60 ms 左右, 快速性突出 图 9 SM 电容电压启动波形 Fig. 9 Waveform for SM capacitor starting voltage 图 10 是换流器正常运行时子模块电容电压波形, 由图可知稳定性良好 根据前面结论可知, 从数学分析来看很难得出具体表达式, 因此这里采用实验验证的方法针对 POD-PWM 做进一步深入分析, 研究在一定条件下采用频率为多少的三角载波, 可使输出电压谐波含量最少 设调制度为 , 正弦调制波为工频 50 Hz, 仿真结果见表 3, 可知当三角载波频率为 Hz 左右时, 输出相电压 线电流的 THD 最低 5 RT-Lab 实验 RT-Lab 半实物仿真平台, 是由加拿大 Opal-RT Technologies 公司推出的一套工业级的系统设备, 如图 11 所示, 通过 RT - Lab, 工程师可以直接将利用 Matlab-Simulink 环境下建立的动态系统数学模型应用于实时仿真 控制 测试以及其他相关领域, 是一种全新的基于模型的工程设计应用平台 工程师可以在一个平台上实现工程项目的设计, 实时仿真, 快速原型与硬件在回路测试的全套解决方案, 可以在最短时间内 用最少花费达到验证工程的目的 以其作为上位机进行控制, 配合实验室现有的自主开发制作的 MMC 逆变器设备作为被控对象, 可以实现多种算法开发研究 图 11 RT-Lab 半实物仿真平台 Fig. 11 RT-Lab hardware in loop simulation MMC 逆变器的实际实验设备参数设置见表 4, 结合经实验测试得出的最佳三角载波频率, 采用 POD-PWM 法, 在 RT-Lab 中搭建三相七电平 MMC 逆变器的控制器, 作为上位机对目标设备 MMC 逆变电路进行控制 表 4 MMC 逆变器参数 Table 4 Parameters for MMC inverter 图 10 SM 电容电压稳定波形 Fig. 10 Stable waveform for SM capacitor voltage 表 3 载波频率与输出电压 电流的 THD Table 3 Relationship between the carrier wave frequency and the THD for output wave 三角波频率 / Hz 相电压 THD / % 线电流 THD / % 逆变器参数 符号 数值 半个桥臂子模块数目 N 6 子模块电容 / μf C 5 桥臂电感 / μh L 0. 7 三角载波频率 / khz f c 10 正弦调制波频率 / Hz f s 50 直流母线电压 / V U d 220 图 12 为输出相电压阶梯波, 经过相应比例缩减, 用示波器测得逆变器实际输出相电压峰值在 10 V 左右 滤波处理后, 输出电压如图 13 上部所示, 十分接近正弦波, 下部为输出相电压中谐波分布情况, 由图中曲线可知, 变换器输出电压谐波含量较少, 电能质量高 6 结语将 MMC 结构应用到高压变频器中, 概述了高压

6 第 10 期郑征等 : 基于模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制 2133 图 12 输出相电压阶梯波 Fig. 12 The output step waveform for phase voltage 图 13 滤波后输出相电压波形及谐波频谱 Fig. 13 The phase voltage and harmonic waveform spectrum after filtering 变频器拓扑及工作机制, 以逆变侧为分析对象, 采用建模排序法控制电容电压稳定平衡, 详细对比研究了几种不同调制算法的优劣, 证明了 POD-PWM 法的优势, 并针对该调制方法找出其最佳三角载波频率 最后, 通过分析实验结果, 证明了控制算法可行, 被控子模块电容电压稳定, 输出电压 电流畸变率低, 谐波含量少, 证明了 POD-PWM 与排序法电容电压平衡控制相结合的控制策略的有效性 参考文献 : [1] 王琛琛, 李永东. 多电平变换器拓扑关系及新型拓扑 [ J]. 电工技术学报,2011,26(1): Wang Chenchen, Li Yongdong. Multilevel converter topologies and two novel topologies[ J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(1): [2] 陶生桂, 杨超. 二极管箝位式多电平逆变器 PWM 控制技术分析 [J]. 电力电子技术,2005,39(5):8-10. Tao Shenggui,Yang Chao. Analysis of PWM control technology for diode-clamping multi-level inverter[ J]. Power Electronics,2005,39 (5):8-10. [3] Kou X,Corzine K A,Familiant Y L. A unique fault tolerant design for flying capacitor multi-level inverter [ J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(4): [4] 崔俊国, 陶生桂. 一种五电平逆变器 SPWM 控制方法的分析与仿真 [J]. 电气传动,2002,32(5): Cui Junguo,Tao Shenggui. A novel SPWM control strategy for fivelevel inverters[ J]. Electric Drive,2002,32(5): [5] 刘景芳, 杨荣峰, 高强, 等. 基于 H 桥级联变流器的功率单元设计 [J]. 电源学报,2011(4): Liu Jingfang,Yang Rongfeng,Gao Qiang,et al. Design of power unit based on cascaded H bridge converter[ J]. Journal of Power Supply, 2011(4): [6] 刘昂, 欧阳红林, 禹卫华, 等. H 桥级联型多电平高压变频器的实验研究 [J]. 电力电子技术,2009,43(2):1-2. Liu Ang,Ouyang Honglin,Yu Weihua,et al. The experimental study of H-bridge cascaded multilevel high voltage inverter [ J]. Power Electronics,2009,43(2):1-2. [7] Marquar R. Stromrichterschaltungen mit verteilten Ergiesspeichern [ P]. German Patent:DE A1, [8] Franquelo L G,Rodriguez J,Leon J I,et al. The age of multi-level converters arrives[ J]. IEEE Industrial Electronics Magazine,2008, 2(2): [9] 韦延方, 卫志农, 孙国强, 等. 适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器最新研究进展 [ J]. 高电压技术, 2012,38(5): Wei Yanfang,Wei Zhinong, Sun Guoqiang, et al. New prospects of modular multilevel converter applied to voltage source converter high voltage direct current transmission [ J]. High Voltage Engineering, 2012,38(5): [10] Munch P,Gorges D,Izak M,et al. Integrated current control,energy control and energy balancing of modular multilevel converters[ A]. 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society [ C]. Glendale:IEEE,2010. [11] 管敏渊, 徐政. 模块化多电平换流器型直流输电的建模与控制 [J]. 电力系统自动化,2010,34(19): Guan Minyuan,Xu Zheng. Modeling and control of modular multilevel converter in HVDC transmission[ J]. Automation of Electric Power Systems,2010,34(19): [12] 管敏渊, 徐政, 屠卿瑞, 等. 模块化多电平换流器型直流输电的调制策略 [J]. 电力系统自动化,2010,34(2): Guan Minyuan,Xu Zheng,Tu Qingrui,et al. Nearest level modulation for modular multilevel converters in HVDC transmission[ J]. Automation of Electric Power Systems,2010,34(2): [13] 屠卿瑞, 徐政, 正翔, 等. 模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析 [J]. 高压电技术,2010,36(2): Tu Qingrui,Xu Zheng,Zheng Xiang,et al. Mechanism analysis on the circulating current in modular multilevel converter based HVDC [ J]. High Voltage Engineering,2010,36(2): [14] Angquist L,Antonopoulos A,Siemaszko D,et al. Inner control of modular multilevel converters-an approach using open-loop estimation of stored energy [ A] International Power Electronics Conference[ C]. Sapporo,2010. [15] 王姗姗, 周孝信, 汤广福, 等. 模块化多电平电压源换流器的数学模型 [J]. 中国电机工程学报,2011,31(24):1-8. Wang Shanshan, Zhou Xiaoxin, Tang Guangfu, et al. Modeling of modular multi-level voltage source converter[ J]. Proceedings of the CSEE,2011,31(24):1-8. [16] 吴洪洋. 多电平变换器及其相关技术研究 [ D]. 杭州 : 浙江大学,2001:50-51.

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