燕山大学潘尧、孙孝峰等：一种抑制模块化多电平变换器光伏系统共模电压的脉冲衔尾排布调制

阅读提示：本文约 2500 字

在基于模块化多电平变换器的光伏系统（MMC-PVS）中，针对光伏模块功率不平衡下共模电压消除问题，研究人员分析MMC-PVS实现共模电压完全消除时控制环路和调制策略理论基础，提出了一种适用光伏模块功率不平衡的MMC-PVS脉冲衔尾排布调制方法，通过将后一子模块脉冲的上升沿时刻与前一子模块脉冲的下降沿时刻对齐，保证三相上桥臂总电压与三相下桥臂总电压的形状相同，实现共模电压完全消除。

研究背景

基于模块化多电平变换器的光伏系统（Modular Multilevel Converter-based Photovoltaic System, MMC-PVS）利用子模块直流端口接入光伏模块，可以实现每个光伏模块独立的最大功率点跟踪控制，提升光伏系统的发电效率。

MMC-PVS的高压交流端口固有高频共模电压（Common Mode Voltage, CMV）会造成严重的电磁干扰，现有研究依据MMC的三相对称性实现CMV抑制或消除。然而，阴影遮挡、光伏故障等原因会造成MMC-PVS中光伏模块功率不平衡，破坏MMC的三相对称性，显著降低现有研究在MMC-PVS中的CMV抑制效果。

论文所解决的问题及意义

光伏模块功率不平衡是MMC-PVS的一种典型运行工况，会造成三相子模块调制信号不对称，显著影响高频共模电压的固有特性，使现有共模电压抑制方案性能下降，甚至无法适用。针对光伏模块功率不平衡工况，本文提出脉冲衔尾排布调制方法，实现了MMC-PVS高频共模电压的完全消除，提高了MMC-PVS的运行安全性，为探索三相换流器的共模电压抑制问题提供新的思路。

论文方法及创新点

1、共模电压完全消除的理论基础

共模电压完全消除的条件是三相上桥臂总电压和三相下桥臂总电压时刻相同。光伏模块功率不平衡下，MMC-PVS的控制环路可以保证每个开关周期内三相上桥臂总电压和三相下桥臂总电压的平均值相同，调制策略决定了一个开关周期内子模块脉冲信号的位置，是实现共模电压完全消除的关键。

图1 CPS-PWM时序

2、脉冲衔尾排布调制基本原理

本文提出脉冲衔尾排布调制方法，通过对子模块驱动脉冲进行平移和分割，将子模块脉冲按指定顺序依次对齐，重塑了三相上桥臂总电压和三相下桥臂总电压的波形形状，保证三相上桥臂总电压与三相下桥臂总电压的形状相同，实现共模电压完全消除。

图2 脉冲衔尾排布原理

3、脉冲衔尾排布调制的实现方法

所提脉冲衔尾排布调制的实现方法分为以下步骤：

(1)获取所有子模块的占空比Dxyj；

(2)根据占空比Dxyj确定每个子模块脉冲的上升沿时刻Rxyj和下降沿时刻Fxyj；

(3)根据Dxyj、Rxyj和Fxyj生成子模块驱动信号gxyj。

根据Rxyj和Fxyj的大小关系及Dxyj的取值，SM的驱动信号存在如图3所示的四种情况。

图3 不同Dxyj、Rxyj和Fxyj组合的gxyj

由Dxyj、Rxyj和Fxyj生成SM驱动信号gxyj的逻辑电路如图4所示。

图4 生成gxyj的逻辑电路

结论

光伏模块功率不平衡工况下，MMC-PVS的控制环路具备一个开关周期内高频共模电压的平均值为零的特征，是实现MMC-PVS完全消除共模电压的理论基础。脉冲衔尾排布调制通过平移和分割方式，重塑三相上桥臂总电压和三相下桥臂总电压形状，在光伏模块功率平衡和光伏模块功率不平衡工况下，都可实现MMC-PVS共模电压完全消除。

团队介绍

燕山大学可再生能源技术团队(YRET)，依托电力电子与传动控制河北省重点实验室，河北省电力电子重点学科。与丹麦奥尔堡大学、清华大学、浙江大学、南京航空航天大学、合肥工业大学、华北电力大学等知名电力电子高校拥有长期合作或学术交流，承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、河北省重点研发计划、河北省自然科学基金等重点项目多项。与京津冀地区、长三角地区、珠三角地区等电力电子企业、研究院开展产学研合作多项。团队发表SCI、EI检索等高水平论文300余篇。授权发明专利30余项。出版专著4部，获科技奖励、教学奖励、行业奖励多项。

该工作发表论文的通讯作者为燕山大学电气工程系孙孝峰教授，博士生导师，硕士生导师，多年连续入选斯坦福大学发布的全球电气与电子工程领域终身科学影响力榜单，“燕山学者”高层次人才，中国电源学会新能源电能变换技术专委会委员，中国电力电子专委会委员，河北省秦皇岛市管专家。长期从事光伏等新能源并网与微电网优化调控技术、配电网电能质量治理、交直流开关电源拓扑与控制等方面研究工作。主持国家重点研发计划项目1项、参与国家自然科学基金重点项目2项。主持国家自然科学基金3项、河北省重点研发计划、河北省自然科学基金重点项目、河北省自然科学基金面上项目多项。获河北省自然科学二等奖、中国机械工业科学技术二等奖、河北省科技进步三等奖等多项奖项。发表论文150余篇，SCI一区Top论文40余篇，授权国家发明专利20余项，著作3部，参编光储纳电网相关IET英文著作1部。

邮箱：sxf@ysu.edu.cn

本工作成果发表在2025年第4期《电工技术学报》，论文标题为“一种抑制模块化多电平变换器光伏系统共模电压的脉冲衔尾排布调制“。本课题得到河北省重点研发计划项目和河北省自然科学基金重点项目的支持。

引用本文

潘尧, 孙孝峰, 蔡瑶, 李昕, 赵巍. 一种抑制模块化多电平变换器光伏系统共模电压的脉冲衔尾排布调制[J]. 电工技术学报, 2025, 40(4): 1221-1235. Pan Yao, Sun Xiaofeng, Cai Yao, Li Xin, Zhao Wei. A Nose-to-Tail Pulse Arrangement Modulation for Suppressing Common Mode Voltage of Modular Multilevel Converter Photovoltaic Systems. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(4): 1221-1235.

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