抑制电流纹波的模块化多电平直流变换器移相调制策略

陈天牧; 曾国宏; 王静; 王思锐

doi:10.7500/AEPS20201230002

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抑制电流纹波的模块化多电平直流变换器移相调制策略

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 抑制电流纹波的模块化多电平直流变换器移相调制策略
- Phase-shifted Modulation Strategy of Modular Multilevel DC/DC Converter for Current Ripple Suppression
- 电力系统自动化 2021年45卷第21期页码：206-214
- 作者机构：
  
  1.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京市 100044
  2.深圳供电局有限公司，广东省深圳市518001
- 作者简介：
  
  陈天牧(1993—)，男，博士研究生，主要研究方向：大功率变流器及其控制技术。E-mail：19117002@bjtu.edu.cn
  曾国宏(1966—)，男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向：电力电子装置、电能质量控制、新能源发电、储能技术、主动配电网等。E-mail：ghzeng@bjtu.edu.cn
  王静(1986—)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向：直流配电技术。E-mail：489671806@qq.com
- 基金信息：
  
  中国南方电网有限责任公司科技项目(090000KK52180116)
- DOI：10.7500/AEPS20201230002
  中图分类号：
- 收稿日期：2020-12-30，
  
  修回日期：2021-06-10，
  
  网络出版日期：2021-08-11，
  
  纸质出版日期：2021-11-10
- 稿件说明：
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陈天牧,曾国宏,王静等.抑制电流纹波的模块化多电平直流变换器移相调制策略[J].电力系统自动化,2021,45(21):206-214.

CHEN Tianmu,ZENG Guohong,WANG Jing,et al.Phase-shifted Modulation Strategy of Modular Multilevel DC/DC Converter for Current Ripple Suppression[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(21):206-214.
陈天牧,曾国宏,王静等.抑制电流纹波的模块化多电平直流变换器移相调制策略[J].电力系统自动化,2021,45(21):206-214. DOI： 10.7500/AEPS20201230002.

CHEN Tianmu,ZENG Guohong,WANG Jing,et al.Phase-shifted Modulation Strategy of Modular Multilevel DC/DC Converter for Current Ripple Suppression[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(21):206-214. DOI： 10.7500/AEPS20201230002.

摘要

模块化多电平直流变换器在采用传统载波移相脉宽调制时，如果各模块的输入及输出电压不一致，就会在电感上产生更大的电流纹波，增大电感的损耗，同时也不利于滤波器件的优化设计。针对这种情况，文中通过对电流纹波的频域分析，揭示了传统移相调制技术存在的问题，并确定了电流纹波幅值、各模块输入/输出电压与载波移相角之间的关系。以电流纹波中开关频率次谐波幅值最小为目标计算各模块的载波移相角，根据不同的工况调整移相角的算法，进而实现了一种电流纹波抑制的调制策略。对三模块级联的模块化多电平直流变换器进行了软件仿真和实验测试，仿真和实验结果都表明在各模块输入及输出电压不相等工况下，所提控制策略能够有效地抑制电流纹波，从而验证了所提控制策略的正确性和实用性。

Abstract

In the modular multilevel DC/DC converter

the traditional phase-shifted carrier pulse width modulation (PWM) leads to the larger inductor current ripple when the modules have different input and output voltages. As a result

the inductor loss increases and the optimal design of filter devices are difficult as well. Aiming at this problem

through the frequency-domain analysis of current ripple

this paper reveals the problems of traditional phase-shifted modulation technique. In addition

the relationship among the current ripple

input and output voltages of modules and carrier phase-shifting angles are analyzed. The carrier phase-shifting angle of each module is calculated with the goal of minimizing the switching frequency harmonic amplitude in the current ripple. The calculation method of the phase-shifting angle is adjusted according to different conditions

and a modulation strategy for current ripple suppression is realized. Finally

the software simulation and experimental test of the modular multilevel DC/DC converter with three cascaded modules are carried out. Both simulation and experimental results show that the proposed control strategy can effectively reduce the current ripple when the input and output voltages of each module are unequal

which verifies the correctness and practicability of the proposed control strategy.

关键词

Keywords

references

阚加荣，陈瑞颖，周磊，等 . 具有低频电流纹波抑制功能的电流型桥式光伏微逆变器［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 18 ）： 129 - 136 .

KAN Jiarong ， CHEN Ruiying ， ZHOU Lei ， et al . Current-fed full-bridge photovoltaic micro-inverter with reduction of low-frequency current ripple ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 18 ）： 129 - 136 .

郭小强，杨勇，王学惠 . 电流源变换器直流链电流纹波抑制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 20 ）： 6071 - 6078 .

GUO Xiaoqiang ， YANG Yong ， WANG Xuehui . Research on DC-link current ripple reduction for current source converter ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 20 ）： 6071 - 6078 .

SINGH S ， SONAR S . A new SVPWM technique to reduce the inductor current ripple of three-phase Z-source inverter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2020 ， 67 （ 5 ）： 3540 - 3550 .

李钰，陆锋，樊强，等 . 不平衡电网电压下的MMC子模块电压波动抑制方法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 4 ）： 91 - 100 .

LI Yu ， LU Feng ， FAN Qiang ， et al . Suppression method for voltage fluctuation of sub-module in multilevel modular converter with unbalanced power grid voltage ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 4 ）： 91 - 100 .

武伟，谢少军 . 用于轨道交通超级电容储能的双向DC-DC变换器拓扑分析与比较［J］. 电工技术学报， 2013 ， 28 （增刊1 ）： 406 - 416 .

WU Wei ， XIE Shaojun . Analyzing and comparing bi-direction DC-DC converters for ultra-capacitor based energy storage system in urban rail transit ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2013 ， 28 （ Supplement 1 ）： 406 - 416 .

LU Y J ， SUN K ， WU H F ， et al . A three-port converter based distributed DC grid connected PV system with autonomous output voltage sharing control ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 1 ）： 325 - 339 .

ZHUANG Y Z ， LIU F ， HUANG Y H ， et al . A voltage-balancer-based cascaded DC-DC converter with a novel power feedforward control for the medium-voltage DC grid interface of photovoltaic systems ［J］. IEEE Access ， 2019 ， 7 ： 178094 - 178107 .

MAJEED Y E ， AHMAD I ， HABIBI D . A multiple-input cascaded DC-DC converter for very small wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 6 ）： 4414 - 4423 .

李彬彬，张玉洁，张书鑫，等 . 具备故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 5 ）： 53 - 59 .

LI Binbin ， ZHANG Yujie ， ZHANG Shuxin ， et al . DC/DC converter with fault blocking capability for HVDC transmission system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 53 - 59 .

武伟，谢少军，张曌，等 . 基于MMC双向DC-DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 27 ）： 4568 - 4575 .

WU Wei ， XIE Shaojun ， ZHANG Zhao ， et al . Analysis and design of control strategy for MMC-BDC based ultra-capacitors energy storage systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 27 ）： 4568 - 4575 .

MONTESINOS-MIRACLE D ， MASSOT-CAMPOS M ， BERGAS-JANE J ， et al . Design and control of a modular multilevel DC/DC converter for regenerative applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013 ， 28 （ 8 ）： 3970 - 3979 .

白志红，周玉虎 . 模块化多电平换流器的载波层叠脉宽调制策略分析与改进［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 21 ）： 139 - 144 .

BAI Zhihong ， ZHOU Yuhu . Analysis and improvement on carrier level-shifted pulse width modulation strategy for modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 21 ）： 139 - 144 .

陈仲，许亚明，袁涛 . 一种基于载波层叠脉宽调制的倍频调制方法［J］. 电工技术学报， 2018 ， 33 （ 10 ）： 2334 - 2344 .

CHEN Zhong ， XU Yaming ， YUAN Tao . A double frequency modulation method based on the level-shifted pulse width modulation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2018 ， 33 （ 10 ）： 2334 - 2344 .

易灵芝，黄晓辉，黄守道，等 . 基于最近电平逼近调制的模块化多电平变换器中高压变频调速系统运行控制［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 6 ）： 1303 - 1315 .

YI Lingzhi ， HUANG Xiaohui ， HUANG Shoudao ， et al . A medium-voltage motor drive with modular multilevel converter based on nearest level modulation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 1303 - 1315 .

张雪垠，徐永海，李卫国，等 . 中压模块化多电平换流器降低开关频率的锯齿载波最近电平-脉宽调制方法［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 8 ）： 1716 - 1727 .

ZHANG Xueyin ， XU Yonghai ， LI Weiguo ， et al . A reduced-switching frequency NL-PWM method based on sawtooth carrier for medium voltage modular multilevel converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 8 ）： 1716 - 1727 .

马大俊，陈武，薛晨炀，等 . 低压直流母线AC-DC电力电子变压器及其短路故障穿越方法［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 8 ）： 158 - 166 .

MA Dajun ， CHEN Wu ， XUE Chenyang ， et al . AC-DC power electronic transformer with low-voltage DC bus and strategy of short-circuit fault ride-through ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 8 ）： 158 - 166 .

WANG T ， CHEN C S ， LIU P ， et al . A hybrid space-vector modulation method for harmonics and current ripple reduction of interleaved Vienna rectifier ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2020 ， 67 （ 10 ）： 8088 - 8099 .

刘教民，孙玉巍，李永刚，等 . 级联式电力电子变压器混合脉宽调制谐波分析及均衡控制［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 7 ）： 101 - 107 .

LIU Jiaomin ， SUN Yuwei ， LI Yonggang ， et al . Harmonic analysis and balancing control of cascade power electronic transformer based on hybrid pulse width modulation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 7 ）： 101 - 107 .

孙玉巍，付超，李永刚，等 . 用于电池储能系统的级联式电力电子变压器均衡及协调控制［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 18 ）： 123 - 130 .

SUN Yuwei ， FU Chao ， LI Yonggang ， et al . Balancing and coordinated control of cascaded power electronic transformers for battery energy storage system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 18 ）： 123 - 130 .

蔡信健，吴振兴，孙乐，等 . 直流电压不均衡的级联H桥多电平变频器载波移相PWM调制策略的设计［J］. 电工技术学报， 2016 ， 31 （ 1 ）： 119 - 127 .

CAI Xinjian ， WU Zhenxing ， SUN Le ， et al . Design for phase-shifted carrier pulse width modulation of cascaded H-bridge multi-level inverters with non-equal DC voltages ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2016 ， 31 （ 1 ）： 119 - 127 .

ROJAS C A ， KOURO S ， PEREZ M A ， et al . DC-DC MMC for HVDC grid interface of utility-scale photovoltaic conversion systems ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 1 ）： 352 - 362 .

王付胜，戴之强，王佳宁，等 . 一种基于级联H桥光伏并网逆变器的变移相角载波移相调制策略［J］. 太阳能学报， 2020 ， 41 （ 8 ）： 144 - 150 .

WANG Fusheng ， DAI Zhiqiang ， WANG Jianing ， et al . A variable-angle phase-shifted pwm strategy for cascaded H-bridge photovoltaic grid-connected inverter ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2020 ， 41 （ 8 ）： 144 - 150 .

MARQUEZ A ， LEON J I ， VAZQUEZ S ， et al . Variable-angle phase-shifted PWM for multilevel three-cell cascaded H-bridge converters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2017 ， 64 （ 5 ）： 3619 - 3628 .

DIAO X G ， LIU F ， SONG Y ， et al . Modified phase-shifted PWM for cascaded half-bridges of photovoltaic application ［J］. IEEE Access ， 2020 ， 8 ： 41719 - 41732 .

MONOPOLI V G ， KO Y ， BUTICCHI G ， et al . Performance comparison of variable-angle phase-shifting carrier PWM techniques ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 7 ）： 5272 - 5281 .

毕恺韬，孙力，安群涛，等 . 基于模块化多电平直流变换器的储能系统分布式能量均衡控制策略［J］. 电工技术学报， 2018 ， 33 （ 16 ）： 3811 - 3821 .

BI Kaitao ， SUN Li ， AN Quntao ， et al . Distributed energy balancing control strategy for energy storage system based on modular multilevel DC-DC converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2018 ， 33 （ 16 ）： 3811 - 3821 .

ALCAIDE A M ， LEON J I ， PORTILLO R ， et al . Variable-angle PS-PWM technique for multilevel cascaded H-bridge converters with large number of power cells ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 8 ）： 6773 - 6783 .

PÉREZ-BASANTE A ， CEBALLOS S ， KONSTANTINOU G ， et al . A universal formulation for multilevel selective-harmonic-eliminated PWM with half-wave symmetry ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 1 ）： 943 - 957 .

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