MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u20019MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理分析 1228211.1MMC與子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析 1217011.2MMC的工作原理 3本章主要是分析模塊化多電平變流器的工作原理，經(jīng)過多年的發(fā)展，模塊化多電平變換器已經(jīng)衍生很多類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：采用不同的子模塊，或者不同的連接方式。這里以經(jīng)典的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，半橋式子模塊為例，介紹模塊化多電平變流器的工作原理。1.1MMC與子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析經(jīng)典MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下所示。圖2-1經(jīng)典的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看到MMC整體可以分為四個(gè)部分，分別為直流側(cè)電壓源，以及a，b，c三相組成。每一相又可以分為上下兩個(gè)組成部分，每部分由N個(gè)子模塊組成。子模塊是構(gòu)成MMC的基本單元。除了子模塊外還有串聯(lián)電抗器的存在，MMC的電抗器是直接串聯(lián)在單相橋臂中的起到削弱環(huán)流與保護(hù)子模塊免受因短路過電流而引起損壞的作用。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中無特大電壓的功率開關(guān)器件，MMC是利用低壓功率器件的組合來達(dá)到，控制輸出高壓的目的。半橋型子模塊拓?fù)鋱D如圖2-2所示圖2-2半橋型子模塊拓?fù)鋱D子模塊作為MMC的基本單元要分析MMC的工作原理就不得不分析子模塊的工作特性。由圖可知半橋型子模塊主要由左右兩部分構(gòu)成。左半部分為上下均勻分布的兩個(gè)功率開關(guān)器件，右半部分為一個(gè)大功率電容，兩部分通過并聯(lián)連接。通過兩個(gè)功率器件的開通與關(guān)斷子模塊可以有三種工作狀態(tài)六種工作模式，分別為插入，旁路，閉鎖三種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)與電流的正負(fù)方向不同與之組合又可以分為兩種工作模式。在正常運(yùn)行中，兩個(gè)功率器件處于互補(bǔ)工作狀態(tài)，也就是同一時(shí)間只有一個(gè)功率器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)IGBT1導(dǎo)通IGBT2關(guān)斷時(shí)，子模塊屬于輸出狀態(tài)如圖2-3，輸出電壓為電容電壓。當(dāng)IGBT1關(guān)斷，IGBT2導(dǎo)通時(shí)屬于旁路狀態(tài)如圖2-4，輸出電壓為0.而當(dāng)IGBT1,2都關(guān)斷時(shí)處于閉鎖狀態(tài)如圖2-5，這種狀態(tài)一般出現(xiàn)在子模塊故障或著MMC初始充電時(shí)。子模塊的每種工作狀態(tài)衍生出兩種工作模式如圖2-6所示，每種工作模式的電容電壓變化以及子模塊輸出電壓的變化如表格2-1所示：圖2-6子模塊的工作模式 表2-1子模塊的工作狀態(tài)工作狀態(tài)電流極性IGBT1/IGBT2電流通道輸出電壓電容電壓變換輸出+On/off→D1→C→UC↑輸出-On/off→C→T1→UC↓旁路+Off/on→T2→0—旁路-Off/on→D2→0—閉鎖+Off/off→D1→UC↑閉鎖-Off/off→D2→0—1.2MMC的工作原理由MMC的拓?fù)鋱D可知，子模塊是構(gòu)成MMC輸出回路的基本單位。每個(gè)子模塊的輸出電壓串聯(lián)之和就為MMC每相輸出電壓。所以假設(shè)每一個(gè)子模塊都是一個(gè)電壓源，則對于MMC的每一相橋臂都是這些電壓源的串聯(lián)，所以將每一相橋臂的上下兩個(gè)橋臂分別等效成兩個(gè)大的電壓源：分別為ua與ub。則任取其中一相橋臂的等效電路如圖2-7所示圖2-7單相橋臂等效電路圖由等效電路圖可知單相輸出交流電流i與橋臂電流及環(huán)流的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：i(2SEQ(\*ARABIC\s11）式中，i為輸出電流，ic為環(huán)流ia與ib分別為上下橋臂電流。根據(jù)網(wǎng)孔電壓與電流的關(guān)系式，則上下兩個(gè)橋臂的電壓與電流關(guān)系式為：U(2SEQ(\*ARABIC\s12）我們假設(shè)輸出端電壓為u令：u=(2SEQ(\*ARABIC\s13）所以綜合（2-1）~（2-3）可以得到以下表達(dá)式：u=(2SEQ(\*ARABIC\s14）2(2SEQ(\*ARABIC\s15）由表達(dá)式（2-4）（2-5）可知其交直流等效電路分別為圖2-8（a），圖2-8（b）(a)交流側(cè)等效電路（b）直流側(cè)等效電路圖2-8MMC的交直流的等效電路模型根據(jù)交流測等效電路圖可知要使MMC正常工作則需滿足如下關(guān)系式：2u=(2SEQ(\*ARABIC\s16）根據(jù)直流程等效電路以及公式（2-5），可以看出要想回路不出現(xiàn)較大的沖擊電流以及抑制環(huán)流的諧波分量，就要盡可能的滿足下列關(guān)系式：U(2SEQ(\*ARABIC\s17）所以綜合（2-6）與（2-7）我們可以得出上下橋臂的輸出電壓為：u(2SEQ(\*ARABIC\s18）u(2SEQ(\*ARABIC\s19）我們假設(shè)輸出的相電壓為u為正弦波u=(2SEQ(\*ARABIC\s110）其中Um為輸出交流電壓的幅值;我們定義調(diào)制度為M則: M=(2SEQ(\*ARABIC\s111）其中M≤1,E為交流電壓輸出峰值當(dāng)我們將公式（2-6）~（2-9）相結(jié)合時(shí)我們可得到關(guān)于單相橋臂ua，ub關(guān)于調(diào)制度的表達(dá)式：