變壓器MMC控制方法研究及運行仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7920變壓器MMC控制方法研究及運行仿真分析案例 118811.1MMC數(shù)學(xué)模型的建立 1130461.2MMC控制策略研究 3209941.2.1調(diào)制策略研究 3240351.2.2均壓控制 5212821.3運行仿真 6MMC作為變壓器三級中的第一級，它的輸出將直接作為隔離級的輸入，因此MMC控制效果的好壞將直接影響總的輸出結(jié)果。本章首先建立了輸入整流級MMC的數(shù)學(xué)模型，簡單介紹了幾種調(diào)制策略，在各種調(diào)制方法中選擇了載波移相調(diào)制（CPS-SPWM）作為研究對象，詳細(xì)介紹了調(diào)制原理并在調(diào)制的基礎(chǔ)上對電容電壓進行均壓控制最后在MATLAB/SIMULINK中搭建模型進行仿真。1.1MMC數(shù)學(xué)模型的建立數(shù)學(xué)模型是\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%A6%E6%A8%A1%E5%9E%8B/_blank"運用\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%A6%E6%A8%A1%E5%9E%8B/_blank"數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言建構(gòu)的科學(xué)或工程模型REF_Ref5556\h[25]。在對系統(tǒng)進行深入研究并進行控制之前，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是實現(xiàn)該目標(biāo)的基礎(chǔ)。由于子模塊在投入時的輸出電壓為，在切除時輸出電壓為0，因此通過控制MMC橋臂中子模塊的投入和切除，使各橋臂子模塊的投入總個數(shù)不變，就可以使MMC直流輸出側(cè)電壓保持不變。由于MMC的a、b、c三相的工作原理和組成結(jié)構(gòu)完全相同，因此選取任意一相進行研究即可，下面選擇a相進行研究分析REF_Ref5867\h[26]。下REF_Ref25616\h圖1.1（a）所示為MMC單相（a相）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，REF_Ref25616\h圖1.1（ｂ）為等效電路。（a）單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（b）等效電路圖1.SEQ圖\*ARABIC\s11MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上圖中，為a相上橋臂電壓，為下橋臂電壓，上橋臂電流為，下橋臂電流為，由等效電路圖結(jié)合基爾霍夫定律可以得電壓方程：（1.1）（1.2）（ia為交流測電流）（1.3）得（1.4）設(shè)虛擬電動勢，，整理（1.1）~（1.3）得到（1.5）由于模塊化多電平變換器的a、b、c三相在結(jié)構(gòu)和原理上完全相同，公式（1.5）的推導(dǎo)過程也完全適用于另外兩相，因此可以寫出其他兩相的電壓電流外部特性，進而得到表示MMC外部運行特性的三相數(shù)學(xué)模型：（1.6）1.2MMC控制策略研究1.2.1調(diào)制策略研究根據(jù)之前的學(xué)習(xí)我們可以知道，所有跟IGBT相關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都離不開調(diào)制過程，MMC也不例外，由于其所包含眾多的子模塊，因此更需要通過合適的調(diào)制策略使子模塊按照我們所期望的規(guī)律進行投入、切除，進而使直流側(cè)輸出理想的直流波形。目前常用的調(diào)制策略有最近電平逼近調(diào)制、載波層疊平和載波移相調(diào)制等階梯波脈沖寬度調(diào)制以及特定次諧波消除法、空間矢量控制等調(diào)制方法，本文選擇了一種特別適合于級聯(lián)多電平逆變器的SPWM方法——載波移相調(diào)制策略(CPS—SPWM)REF_Ref6693\h[27]。對于由n個半橋單元SM組成的單相級聯(lián)多電平整流器，每個半橋單元都采用低開關(guān)頻率的SPWM調(diào)制方法，其基本原理是各橋臂n個單元的正弦調(diào)制波均相同，用n組具有相同的頻率和幅值，但相位依次相差固定的角度的三角載波分別進行調(diào)制，當(dāng)調(diào)制波大于載波時，輸出脈沖信號，從而使每個半橋單元輸出的SPWM脈沖也錯開一定的角度，大大增加了等效開關(guān)頻率，經(jīng)過疊加后，最終輸出的波形是一個多電平的階梯波，通過選擇合適的移相角度可以使輸出電壓的諧波含量大幅度減少。（a）上橋臂載波移相示意圖（b）下橋臂載波移相示意圖圖1.SEQ圖\*ARABIC\s12載波移相示意圖通俗來講，就是上橋臂所有子模塊（共n個）共用一個頻率為ft的正弦調(diào)制波，每一個子模塊都對應(yīng)一個頻率fz的三角載波，fz遠大于ft，相鄰子模塊對應(yīng)的載波相角相差（載波周期為），除了相角不同外，每個三角載波的頻率、幅值均相同，且當(dāng)調(diào)制波大于載波時，輸出高電平，由此得到一個脈沖信號。設(shè)a相上橋臂有4個子模塊，從上到下分別為SM1、SM2、SM3、SM4，調(diào)制波選擇頻率50Hz、幅值為1、周期為0.02的正弦波，載波選擇頻率為200Hz幅值為1周期為0.005的正弦載波，4個子模塊對應(yīng)4組載波，則第二個載波與第一個載波相差，第三個與一個相差，第四個與第一個相差。每組載波對應(yīng)一個子模塊，一個子模塊包括兩個IGBT，上管和下管的脈沖信號相反，二個IGBT管交替導(dǎo)通。a相載波移相示意圖如REF_Ref1672\h圖1.2所示。對于同一相的上、下兩橋臂，由于電壓方向相反，因此上、下橋臂的調(diào)制波相反，每相的上、下橋臂相同位置的子模塊對應(yīng)的載波相位差為，其他兩相載波相同，調(diào)制波相差三分之一個周期。1.2.2均壓控制由于MMC為采用了子模塊級聯(lián)的模塊化多電平變流器，盡管每個子模塊的結(jié)構(gòu)相同，但直流側(cè)電容之間相互獨立，互相之間沒有聯(lián)系，且損耗、開關(guān)、充放電時間等因素都會導(dǎo)致各子模塊電壓不平衡，直接影響到MMC直流側(cè)信號輸出，因此若想實現(xiàn)MMC安全穩(wěn)定運行必須保證子模塊電容電壓平衡，為實現(xiàn)這一目標(biāo)需要在現(xiàn)有的調(diào)制波基礎(chǔ)上疊加均壓控制后的電容電壓修正量，以此來實現(xiàn)子模塊電容電壓的平衡。不同的調(diào)制策略對應(yīng)不同的均壓控制，當(dāng)調(diào)制策略選擇為最近電平逼近調(diào)制時，通常選用基于排序算法的控制方法來實現(xiàn)電壓平衡，其基本工作原理為依次檢測橋臂中子模塊電容電壓的大小并按照從大到小排列，有選擇性的對電容C進行充電或者放電REF_Ref7095\h[28]；但當(dāng)調(diào)制策略選擇CPS-SPWM時，一般選擇分級均壓控制，共分為兩部分，包括橫向的電容電壓平均控制和縱向的電容電壓均衡控制REF_Ref7117\h[29]。圖1.SEQ圖\*ARABIC\s13橫向的電容電壓平均控制平均控制示意圖如REF_Ref3474\h圖1.3所示，包括電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個控制環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)通過公式（1.7）（1.7）可以計算出單相子模塊電容電壓平均值和參考值，二者作差后的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出作為電流內(nèi)環(huán)的參考值。電流內(nèi)環(huán)的反饋值是環(huán)流，通過公式（1.8）得到環(huán)流實際值，將其與電壓外環(huán)得到的電流參考值作差后通過PI調(diào)節(jié)器得到橫向控制下的電壓補償量。縱向電容電壓均衡控制如REF_Ref23414\h圖1.4是將每個子模塊電容電壓分別與電容電壓參考值相比，差值通過P調(diào)節(jié)器后得到縱向控制下的電壓補償量。由于電流方向不同時，電容充放電工作狀態(tài)不同，增加橋臂電流檢測環(huán)節(jié)，當(dāng)電流為正時，補償量為正，電流為負(fù)時，補償量為負(fù)。將縱向均衡控制和橫向平均控制得到的兩個補償量共同疊加到調(diào)制波，隨后進行載波移相調(diào)制，將脈沖信號輸入給子模塊即可實現(xiàn)均壓控制。圖1.SEQ圖\*ARABIC\s14縱向的電容電壓均衡控制1.3運行仿真圖1.SEQ圖\*ARABIC\s15輸入整流級MMC仿真模型圖1.SEQ圖\*ARABIC\s16CPS-SPWM模塊仿真模型圖1.SEQ圖\*ARABIC\s17電壓平均控制模型圖1.SEQ圖\*ARABIC\s18電壓均衡控制模型上REF_Ref24282\h圖1.5~REF_Ref24308\h圖1.8為在MATLAB中利用SIMULINK搭建的輸入整流級MMC及其主要控制模塊的仿真模型，控制方法選擇載波移相調(diào)制（CPS-SPWM）以及電容均壓控制策略。搭建模型中，子模塊個數(shù)為4