关键词：模块化多电平变换器（MMC）；PWM整流器；载波移相调制；控制策略

1 引言

与传统的整流装置相比，PWM整流器具有网侧电流谐波含量小，功率因数高，电能双向传输等优点，因而被广泛应用于交流传动系统中^[1-2]。

由于器件耐压等级的限制，传统的PWM整流器拓扑结构不适用于高压和大容量场合，而基于多电平变换器的PWM整流器可承受较小的电压应力。在不考虑提高开关管的耐压等级情况下，只需增加整流器的电平数就可以提高整流器的适用范围，从而可以将低耐压等级的器件应用在高压场合^[3-4]。当下研究较多的多电平变换器按主电路拓扑结构来分，主要分为二极管箝位型多电平变换器（Diode-clamped Multilevel Converter）、飞跨电容型多电平变换器（Flying-capacitor Multilevel Converter）、级联型多电平变换器（Cascaded Multilevel Converter）以及模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）等^[5-6]。与其他变换器相比，因模块化多电平变换器具有很多优点^[7-9]，所以它相对较为适用于PWM整流器中。

本文将模块化多电平变换器应用在PWM整流器中,采用基于Id/Iq的有功无功解耦控制策略，子模块电容电压均衡控制策略以及载波移相PWM调制策略。最后在Matlab/Simulink中进行仿真，验证了所提出的控制策略和调制策略。

2 基于MMC的PWM整流器工作原理分析

如图1是基于MMC的PWM整流器主电路的拓扑结构以及子模块的结构示意图。

图1 MMC拓扑结构                                                                                                       

图2 MMC半桥等效电路图                                                                                                             

3 PWM整流器的控制策略

如图3所示，本文使用的基于MMC的PWM整流器的控制策略包括电流控制环节、电容电压控制与环流抑制环节、PWM脉冲波的生成三个部分。

图3 控制策略图

3.1 电流控制环节

基于d-q解耦的电流控制策略通过分别控制d-q坐标系中有的功无功分量，实现直流电压的稳压控制和交流侧与直流侧的有功电流交换。

如图4所示，首先对需要控制的三相PWM整流器的上、下桥臂电压信号经PLL锁相后，通过坐标变换，进行有功无功解耦。然后将检测到的直流侧实际电压与给定参考电压的误差经PI控制器与三相电流d分量进行比较，再经PI控制器输出电流控制指令信号的d分量。另一方面，将检测到的三相电流q分量与无功电流参考值0进行比较，并且经由PI控制器后，可输出电流控制指令信号的q分量。最后，对电压的d-q分量进行逆变换以获得桥臂交流参考电压。

图4 电流控制

3.2 电容电压控制与环流抑制环节

3.2.1 电容电压均衡控制

这里将MMC子模块的电容电压均衡控制环节分为两部分：桥臂均值控制环节和子模块电压平衡控制环节^[10-11]。

                                                                  图5 桥臂均值控制

（1）子模块电压平衡控制策略

如图6所示，该控制策略使用MMC子模块作为控制单位来控制各个子模块电容的充电和放电过程，从而实现将子模块电容电压控制在额定值附近，并保持相对一致。

                                                              图6 子模块电压平衡控制

3.2.2 环流抑制

环流产生的根本原因是上桥臂和下桥臂的电压之和不能在任何时刻都与直流母线电压保持一致。而环流叠加在桥臂电流上，不仅加剧了桥臂电流的畸变，而且也增加了器件的额定容量和系统损耗^[11]。如图7所示，本文采用基于PR调节器的环流抑制策略来抑制桥臂电流中的二倍频分量和高频分量^[12]。

图7 环流抑制策略

3.3 PWM脉冲波的生成

4 仿真结果与分析

（a）A相相电压

（b）A相电压频谱图

图8 MMC交流输出电压

MMC输出的A相电压和电压频谱图如图8所示，可以看出输出电压的谐波畸变率为22.54%。相比于传统的整流器，该控制策略可以大大减少滤波器的使用。

（a）A相各子模块电容电压

（b）A相各子模块电容电压频谱图

图9 子模块电容电压

如图9所示，PWM整流器的6个子模块的电容电压均稳定在200V，波动范围不大于10V，保证了系统的正常运行，证明了本文采取的电容电压控制策略的有效性和可行性。图10为交流侧电流的波形图。

（a）A相相电流

（b）A相电流频谱图

图10 交流侧电流波形

5 结论

基于MMC的拓扑结构和工作原理，本文提出了一种针对基于MMC的PWM整流器的综合控制策略。结合CPS-SPWM调制策略，通过采用子模块电容电压均衡控制和基于PR调节器的环流抑制，本文解决了子模块电容电压不平衡的问题，并起到抑制桥臂环流的作用，保证了直流母线电压稳定，使MMC可以正常工作，也证明了此控制策略的正确性。