State Space Averaging Modeling Method of Full-bridge Modular Multilevel Converter Considering Dead-time Characteristics

PAN Keying; JING Hang; FENG Moke; XU Jianzhong

doi:10.7500/AEPS20240205005

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State Space Averaging Modeling Method of Full-bridge Modular Multilevel Converter Considering Dead-time Characteristics

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- State Space Averaging Modeling Method of Full-bridge Modular Multilevel Converter Considering Dead-time Characteristics
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 15, Pages: 141-150(2024)
- 作者机构：
  
  1.新能源电力系统全国重点实验室(华北电力大学),北京市 102206
  2.输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学),重庆市 400044
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  State Grid Corporation of China(5500-202255495A-3-0-ZZ)
- DOI：10.7500/AEPS20240205005
  CLC：
- Received：05 February 2024，
  
  Revised：2024-03-07，
  
  Published Online：10 May 2024，
  
  Published：10 August 2024
- 稿件说明：
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潘可盈,井航,冯谟可等.考虑死区特性的全桥型MMC状态空间平均化建模方法[J].电力系统自动化,2024,48(15):141-150.

PAN Keying,JING Hang,FENG Moke,et al.State Space Averaging Modeling Method of Full-bridge Modular Multilevel Converter Considering Dead-time Characteristics[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(15):141-150.
潘可盈,井航,冯谟可等.考虑死区特性的全桥型MMC状态空间平均化建模方法[J].电力系统自动化,2024,48(15):141-150. DOI： 10.7500/AEPS20240205005.

PAN Keying,JING Hang,FENG Moke,et al.State Space Averaging Modeling Method of Full-bridge Modular Multilevel Converter Considering Dead-time Characteristics[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(15):141-150. DOI： 10.7500/AEPS20240205005.

摘要

为避免同侧互补导通的功率管发生直通短路故障，模块化多电平换流器(MMC)中开关器件需要设置死区时间，死区的存在会产生死区效应且死区难以被彻底消除。随着电力电子器件开关频率的不断提高，死区占比增加，死区影响已不容忽视。针对死区效应越来越显著和MMC仿真耗时过长的问题，提出一种考虑死区特性的提速模型。首先，对级联子模块含死区时间的实际开关状态进行端口工况特征扫描，通过含死区的端口特性识别出各子模块实际工作模态，建立状态空间方程。其次，基于状态空间平均法，以占空比为纽带统一子模块不同的模态性质，建立子模块分立元件模型。进一步，根据平均值模型的解耦特性，建立桥臂集中模型，提高仿真建模效率。最后，在PSCAD/EMTDC仿真软件平台上分别搭建全桥型MMC的详细模型、子模块分立元件模型与桥臂集中模型。仿真结果表明，所提模型具有较高的精度和运行效率，可以更好地满足实际工程仿真需求。

Abstract

To avoid the flow-through short-circuit fault of the power transistor with complementary conduction on the same side

the switching devices in the modular multilevel converter (MMC) need to set the dead time. The existence of the dead time will generate dead-time effect and it is difficult to eliminate the dead time. With the continuous improvement of the switching frequency of power electronic devices

the proportion of dead time increases and the influence of dead time cannot be ignored. Aiming at the problem that the dead-time effect is becoming more and more significant and the MMC simulation takes too long

this paper proposes a speed-up model considering the dead-time characteristics. Firstly

the port condition characteristics of the actual switching state of the cascaded sub-modules with dead time are scanned

and the actual working modes of each sub-module are identified by the port characteristics with dead time. The state space equation is then established. Secondly

based on the state space average method

the duty cycle is used as a link to unify the different modal properties of the sub-modules

and the sub-module discrete component model is established. Further

according to the decoupling characteristics of the mean value model

a bridge arm centralized model is established to improve the efficiency of simulation modeling. Finally

the detailed model

the sub-module discrete component model

and the bridge arm centralized model for the full-bridge MMC are built on the PSCAD/EMTDC simulation software platform. The simulation results show that the proposed models have high accuracy and operation efficiency

which can better meet the demands of practical engineering simulation.

关键词

Keywords

references

吴丽丽，茆美琴，施永 . 含主动限流控制的MMC-HVDC电网直流短路故障电流解析计算［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 3 ）： 785 - 797 .

WU Lili ， MAO Meiqin ， SHI Yong . Analytical calculation of DC short-circuit fault current of modular multi-level converter-HVDC grid with active current limiting control ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 3 ）： 785 - 797 .

饶宏，黄伟煌，郭知非，等 . 柔性直流输电技术在大电网中的应用与实践［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 9 ）： 3347 - 3355 .

RAO Hong ， HUANG Weihuang ， GUO Zhifei ， et al . Practical experience of VSC-HVDC transmission in large grid ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 9 ）： 3347 - 3355 .

郭猛，郝全睿，李东 . 混合型MMC的改进桥臂平均值与状态空间模型［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 19 ）： 116 - 127 .

GUO Meng ， HAO Quanrui ， LI Dong . Improved arm average and state-space models of hybrid modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 19 ）： 116 - 127 .

李峥，陈武，侯凯，等 . 适用于中压配电网的无联结变压器柔性环网控制器［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 169 - 176 .

LI Zheng ， CHEN Wu ， HOU Kai ， et al . Flexible ring network controller without interface transformer for medium voltage distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 169 - 176 .

王琛，魏子文，王毅，等 . 一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 1 ）： 81 - 92 .

WANG Chen ， WEI Ziwen ， WANG Yi ， et al . A novel MMC parallel dual-port submodule and its three-stage fault current blocking mechanism ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 1 ）： 81 - 92 .

王晓婷，冯谟可，许建中，等 . 多有源桥型PET开关死区的电磁暂态等效建模方法［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 15 ）： 5995 - 6005 .

WANG Xiaoting ， FENG Moke ， XU Jianzhong ， et al . Electromagnetic transient equivalent modeling method for switching dead time of multi active bridge PET ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 15 ）： 5995 - 6005 .

JI Y ， YANG Y ， ZHOU J L ， et al . Control strategies of mitigating dead-time effect on power converters： an overview ［J］. Electronics ， 2019 ， 8 （ 2 ）： 196 .

JACOBS K ， HEINIG S ， JOHANNESSON D ， et al . Comparative evaluation of voltage source converters with silicon carbide semiconductor devices for high-voltage direct current transmission ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 8 ）： 8887 - 8906 .

宋平岗，李云丰，王立娜，等 . 死区时间对模块化多电平换流器的影响［J］. 高电压技术， 2014 ， 40 （ 5 ）： 1530 - 1538 .

SONG Pinggang ， LI Yunfeng ， WANG Lina ， et al . Influence of dead time on modular multi-level converter ［J］. High Voltage Engineering ， 2014 ， 40 （ 5 ）： 1530 - 1538 .

YE J ， HUANG Y K ， HUANG S T ， et al . An accurate dead time compensation method for SPWM voltage source inverters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 4 ）： 4894 - 4908 .

柏树根，孙承晨，张新松，等 . SiC MOSFET逆变器分段调制死区补偿策略［J］. 电网与清洁能源， 2023 ， 39 （ 10 ）： 28 - 37 .

BAI Shugen ， SUN Chengchen ， ZHANG Xinsong ， et al . The dead-time compensation strategy for segmented modulation of the SiC MOSFET inverter ［J］. Power System and Clean Energy ， 2023 ， 39 （ 10 ）： 28 - 37 .

LI B J ， XU J B ， YE J ， et al . A new model-based dead-time compensation strategy for cascaded H-bridge converters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 4 ）： 3793 - 3802 .

宋春伟，何金龙，李刚 . 3H桥开关次数均衡死区消除SVPWM ［J］. 电机与控制学报， 2023 ， 27 （ 1 ）： 80 - 87 .

SONG Chunwei ， HE Jinlong ， LI Gang . Dead-time elimination SVPWM with switching times sharing for 3H bridge inverter ［J］. Electric Machines and Control ， 2023 ， 27 （ 1 ）： 80 - 87 .

JI S Q ， ZHANG L ， HUANG X X ， et al . A novel voltage balancing control with d v/ d t reduction for 10-kV SiC MOSFET-based medium voltage modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 11 ）： 12533 - 12543 .

康薇，肖飞，任强，等 . 双有源桥DC-DC变换器三移相调制及其死区效应分析和补偿［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 6 ）： 1907 - 1922 .

KANG Wei ， XIAO Fei ， REN Qiang ， et al . Three-phase-shift modulation and its dead band effect analysis and compensation of dual-active-bridge DC-DC converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 6 ）： 1907 - 1922 .

LI Z X ， GAO F Q ， XU F ， et al . Power module capacitor voltage balancing method for a ±350-kV/1000-MW modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 6 ）： 3977 - 3984 .

陈武晖，吴明哲，张军，等 . 模块化多电平换流器电磁暂态模型研究综述［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 12 ）： 4755 - 4765 .

CHEN Wuhui ， WU Mingzhe ， ZHANG Jun ， et al . Review of electromagnetic transient modeling of modular multilevel converters ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 12 ）： 4755 - 4765 .

徐婉莹，郑聪慧，许建中，等 . 级联H桥型电力电子变压器平均值模型［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 6 ）： 190 - 196 .

XU Wanying ， ZHENG Conghui ， XU Jianzhong ， et al . Average-value model of cascaded H-bridge type power electronic transformer ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 190 - 196 .

陈耀军，陈柏超，田翠华，等 . 模块化多电平变换器的系统状态方程及等效模型［J ］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 1 ）： 167 - 176 .

CHEN Yaojun ， CHEN Baichao ， TIAN Cuihua ， et al . The system state equation and equivalent model of modular multilevel converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 1 ）： 167 - 176 .

ZHAO B ， SONG Q ， LIU W H ， et al . Dead-time effect of the high-frequency isolated bidirectional full-bridge DC-DC converter： comprehensive theoretical analysis and experimental verification ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 4 ）： 1667 - 1680 .

许建中 . 模块化多电平换流器电磁暂态高效建模方法研究［D］. 北京：华北电力大学， 2014 .

XU Jianzhong . Research on the electromagnetic transient efficient modelling method of modular multilevel converter ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2014 .

ERICKSON R W ， MAKSIMOVIĆ D . Fundamentals of power electronics ［M］. Cham， Switzerland ： Springer International Publishing ， 2020 .

许建中，赵成勇， GOLE A M . 模块化多电平换流器戴维南等效整体建模方法［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 8 ）： 1919 - 1929 .

XU Jianzhong ， ZHAO Chengyong ， GOLE A M . Research on the Thévenin’s equivalent based integral modelling method of the modular multilevel converter （MMC）［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 8 ）： 1919 - 1929 .

罗毅飞，刘宾礼，汪波，等 . IGBT开关机理对逆变器死区时间的影响［J］. 电机与控制学报， 2014 ， 18 （ 5 ）： 62 - 68 .

LUO Yifei ， LIU Binli ， WANG Bo ， et al . The influence of IGBT switching mechanism on the dead-time of inverters ［J］. Electric Machines and Control ， 2014 ， 18 （ 5 ）： 62 - 68 .

汪波，罗毅飞，刘宾礼，等 . 不同负载条件下绝缘栅双极型晶体管死区时间设置分析［J］. 高电压技术， 2014 ， 40 （ 11 ）： 3584 - 3589 .

WANG Bo ， LUO Yifei ， LIU Binli ， et al . Analysis of dead time set for insulated gate bipolar transistor under different load conditions ［J］. High Voltage Engineering ， 2014 ， 40 （ 11 ）： 3584 - 3589 .

苟鑫 . MMC-HVDC系统均压控制策略与快速仿真模型研究［D］. 重庆：重庆大学， 2020 .

GOU Xin . Research on voltage balancing control method and efficient simulation model of MMC-HVDC system ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2020 .

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