17级模块化多电平变流器（MMC）研究Simulink仿真

matlab科研助手

于 2025-07-14 20:21:16 发布

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文章标签：算法

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🔥 内容介绍

在 5MW 风电永磁直驱发电机 - 1200V 直流并网系统中，为实现高效稳定的电能转换与传输，电力电子变流器起着关键作用。17 级模块化多电平变流器（MMC）凭借独特优势，成为提升系统性能的重要技术选择。本部分将阐述其在该风电系统中的重要性及研究现状。

（一）研究背景与意义

随着风力发电规模的不断扩大，对风电并网系统的性能要求愈发严苛。5MW 风电永磁直驱发电机省去齿轮箱，降低了维护成本，提高了发电效率。然而，其输出特性受风速影响大，需可靠的变流技术来稳定电能质量，实现高效并网。1200V 直流并网系统中，MMC 可通过灵活的电平调节，有效减小输出电压电流的谐波含量，提升电能质量，满足电网对电压波动和谐波畸变率的严格要求。同时，MMC 的模块化设计增强了系统的可靠性与可扩展性，适应大规模风电接入的发展趋势，对保障电力系统的安全稳定运行意义重大。

（二）MMC 在风电领域的研究现状

当前，MMC 在风电领域的研究主要集中在拓扑结构优化、控制策略改进以及与风电系统的协同运行等方面。在拓扑结构上，研究人员致力于开发新型子模块拓扑，以提高 MMC 的故障容错能力和运行效率。控制策略方面，多种先进控制算法不断涌现，如模型预测控制、无差拍控制等，旨在提升 MMC 对风电系统复杂工况的响应速度和控制精度。在协同运行研究中，重点关注 MMC 与风电发电机、电网之间的交互影响，以实现整个风电并网系统的最优运行。但在实际应用中，MMC 仍面临着一些挑战，如子模块电容电压均衡控制复杂、系统成本较高等，需要进一步深入研究解决。

二、17 级 MMC 的拓扑结构与工作原理

（一）基本拓扑结构

17 级 MMC 由多个相同的子模块（SM）级联组成，每相桥臂包含上下两个桥臂，每个桥臂由一定数量的子模块串联而成。以三相 MMC 为例，其拓扑结构如图 1 所示。每个子模块主要由电容和开关器件组成，常见的子模块拓扑有半 H 桥型和全 H 桥型。在 17 级 MMC 中，通过合理控制子模块的投入与切除，可实现输出电压 17 个电平的变化，从而有效逼近正弦波。

[此处插入三相 17 级 MMC 拓扑结构示意图]

（二）工作原理

子模块工作状态：以半 H 桥型子模块为例，其工作状态有投入和切除两种。当子模块的上开关管导通、下开关管关断时，子模块投入工作，电容电压叠加到桥臂电压上；当子模块的上开关管关断、下开关管导通时，子模块被切除，桥臂电压不包含该子模块电容电压。通过对各子模块工作状态的有序控制，实现桥臂电压的多电平输出。

相电压合成：每相上下桥臂的子模块协同工作，根据调制策略，控制不同子模块的导通与关断，使桥臂电压呈现多个电平。例如，在正半周期，上桥臂逐渐增加投入的子模块数量，下桥臂逐渐减少投入的子模块数量，从而合成接近正弦的相电压；在负半周期则相反。通过这种方式，17 级 MMC 能够输出 17 个不同电平的相电压，有效降低输出电压的谐波含量。

三、17 级 MMC 的控制策略

（一）电容电压均衡控制

必要性：在 MMC 运行过程中，由于子模块参数差异、开关器件导通压降不同以及负载变化等因素，各子模块电容电压会出现不均衡现象。若不及时控制，可能导致部分子模块过压或欠压，影响 MMC 的正常运行，甚至损坏设备。因此，电容电压均衡控制是 MMC 稳定运行的关键环节。

控制方法：常见的电容电压均衡控制方法有排序法和载波移相法。排序法通过对各子模块电容电压进行实时排序，根据排序结果选择合适的子模块投入或切除，以实现电容电压均衡。载波移相法是利用多个载波信号移相后对各子模块进行调制，使各子模块电容电压在一个周期内的充放电时间趋于一致，从而达到均衡目的。在 17 级 MMC 中，可根据实际需求选择合适的电容电压均衡控制方法，确保各子模块电容电压稳定在设定值附近。

（二）调制策略

正弦脉宽调制（SPWM）：SPWM 是一种常用的调制策略，它通过将正弦参考信号与三角载波信号进行比较，生成 PWM 脉冲信号来控制 MMC 子模块的开关。在 17 级 MMC 中应用 SPWM 时，可根据相电压的目标电平，确定各子模块的导通与关断时刻，使输出电压尽可能接近正弦波。SPWM 调制策略简单，易于实现，但在低开关频率下，输出电压谐波含量相对较高。

最近电平逼近调制（NLM）：NLM 调制策略是根据当前的参考电压，选择最接近的 MMC 输出电平。它通过计算参考电压与各可能输出电平的差值，选择差值最小的电平作为输出。NLM 调制策略无需复杂的载波信号，计算量小，响应速度快，特别适用于 17 级 MMC 这种多电平系统，能有效降低开关损耗，但输出电压存在一定的台阶误差。

（三）环流抑制控制

环流产生原因：在 MMC 中，由于桥臂电感、电容以及相间互感等因素的影响，会产生环流。环流不仅会增加系统的损耗，降低效率，还可能影响 MMC 的正常运行。环流主要包括零序环流和二倍频环流。零序环流是由于三相系统参数不完全对称或控制误差引起的，而二倍频环流则是由交流侧电压电流的不平衡以及 MMC 自身的拓扑结构导致的。

抑制方法：为抑制环流，可采用在桥臂中串联电感的方式，利用电感对高频电流的阻碍作用，减小环流的幅值。同时，通过设计合适的环流抑制控制器，对环流进行实时监测和反馈控制。例如，采用基于比例积分（PI）调节器的环流抑制控制器，根据检测到的环流信号，调整 MMC 的控制信号，使环流保持在允许范围内，提高系统的运行效率和稳定性。

四、17 级 MMC 在 5MW 风电永磁直驱发电机 - 1200V 直流并网系统中的应用优势

（一）提升电能质量

谐波抑制：17 级 MMC 能够输出多个电平的电压，相比传统的两电平或三电平变流器，其输出电压波形更接近正弦波，有效降低了谐波含量。在 5MW 风电永磁直驱发电机 - 1200V 直流并网系统中，可将并网电流的总谐波畸变率（THD）控制在较低水平，满足电网对电能质量的严格要求，减少谐波对电网设备的损害。

电压波动抑制：风速的随机变化会导致风电发电机输出功率波动，进而引起直流侧电压波动。17 级 MMC 通过其灵活的电平调节能力和快速的动态响应特性，能够有效抑制直流侧电压波动，维持 1200V 直流电压的稳定，为逆变器提供稳定的输入电压，保障并网系统的稳定运行。

（二）增强系统可靠性

模块化设计：MMC 的模块化结构使得系统具有较高的可靠性。在 17 级 MMC 中，若某个子模块出现故障，可通过控制策略将其旁路，由其他正常子模块继续工作，不影响整个 MMC 的运行。这种冗余设计大大提高了系统的容错能力，降低了因设备故障导致的停机时间，保障了风电并网系统的可靠运行。

冗余配置：除子模块的冗余外，MMC 系统还可采用冗余的桥臂配置或冗余的变流器配置。例如，在三相 MMC 中，可设置备用桥臂，当某一相桥臂出现故障时，备用桥臂迅速投入运行，确保系统的不间断供电。这种冗余配置进一步增强了系统的可靠性，提高了风电并网系统的稳定性。

（三）提高系统灵活性

电压和功率等级扩展：17 级 MMC 通过增加子模块的数量，可方便地扩展其电压和功率等级。在 5MW 风电永磁直驱发电机 - 1200V 直流并网系统中，随着风电装机容量的增加，可灵活增加 MMC 的子模块数量，提升系统的电压和功率承载能力，满足不同规模风电接入的需求。

灵活的控制策略：MMC 可采用多种先进的控制策略，根据风电系统的运行工况和电网需求，灵活调整控制参数，实现对系统的优化控制。例如，在风速变化较大时，可采用快速响应的控制策略，及时调整 MMC 的输出，保障系统的稳定运行；在电网电压波动时，可通过调整控制策略，增强系统的抗干扰能力，提高风电并网的适应性。

五、应用面临的挑战及解决方案

（一）子模块电容电压均衡控制复杂

挑战分析：17 级 MMC 包含大量子模块，各子模块电容电压的均衡控制难度较大。由于子模块参数分散性、开关器件的不一致性以及系统运行工况的复杂性，电容电压容易出现不均衡现象，且在不同工况下，不均衡的表现形式和程度也各不相同，增加了控制的复杂性。

解决方案：采用先进的电容电压均衡控制算法，结合智能控制技术，如模糊控制、神经网络控制等。模糊控制可根据电容电压偏差和偏差变化率等模糊量，制定相应的控制规则，实现对子模块的快速、准确控制。神经网络控制则可通过对大量运行数据的学习，建立电容电压与控制信号之间的非线性映射关系，提高控制的精度和鲁棒性。同时，加强对子模块参数的筛选和匹配，减小参数分散性对电容电压均衡的影响。

（二）系统成本较高

成本构成分析：17 级 MMC 系统成本主要包括子模块成本、控制器成本以及安装维护成本等。子模块中大量使用的电容和开关器件成本较高，且随着电平数的增加，子模块数量增多，进一步提高了成本。同时，为实现复杂的控制策略，需要高性能的控制器，这也增加了系统成本。此外，MMC 系统的安装和维护需要专业技术人员，人工成本较高。

降低成本措施：在子模块设计方面，研发新型低成本的电容和开关器件，优化子模块电路结构，降低子模块成本。采用集成化的控制器设计，提高控制器的性能和可靠性，同时降低控制器成本。在安装维护方面，通过提高系统的自动化程度，减少人工干预，降低维护成本。此外，随着 MMC 技术的大规模应用，通过规模效应降低整体系统成本。

（三）与风电系统的协同运行问题

协同挑战：5MW 风电永磁直驱发电机的输出特性受风速影响大，具有强波动性和间歇性。17 级 MMC 在与风电发电机协同运行时，需要快速适应发电机输出功率的变化，同时要保证自身的稳定运行。此外，MMC 与电网之间也存在相互影响，如电网电压波动、频率变化等会影响 MMC 的控制性能，而 MMC 的运行状态也会对电网产生一定的影响，如何实现 MMC 与风电发电机、电网之间的良好协同运行是一个关键问题。

协同运行策略：建立风电发电机、MMC 和电网的联合仿真模型，深入研究它们之间的交互影响机制。通过优化 MMC 的控制策略，使其能够快速跟踪风电发电机输出功率的变化，同时增强对电网扰动的抗干扰能力。例如，采用功率前馈控制策略，根据风电发电机的输出功率变化，提前调整 MMC 的控制信号，实现快速响应。加强风电并网系统的监测与管理，实时监测系统的运行状态，及时调整控制参数，确保系统的稳定协同运行。

六、结论

17 级模块化多电平变流器（MMC）在 5MW 风电永磁直驱发电机 - 1200V 直流并网系统中具有显著的应用优势，能够有效提升电能质量、增强系统可靠性和提高系统灵活性。然而，其在应用过程中也面临着子模块电容电压均衡控制复杂、系统成本较高以及与风电系统协同运行等挑战。通过采用先进的控制算法、研发新型器件、优化系统设计以及加强系统监测与管理等措施，可逐步解决这些问题，推动 17 级 MMC 在风电并网领域的广泛应用，为大规模风电的高效稳定接入提供有力的技术支持。未来，随着相关技术的不断发展和完善，17 级 MMC 有望在风电领域发挥更大的作用，助力新能源产业的蓬勃发展。