模块化多电平高压直流输电综述

模块化多电平换流器型高压直流输电综述0引言：现代电力电子技术的发展，使直流输电又一次登上历史舞台，与交流输电并驾齐驱。

1954年，世界上第一条工业性的高压直流输电系统投入运营，从此，直流输电技术在海底电缆送电、远距离大功率输电、不同频率或相同频率交流系统之间的联结等场合得到了广泛地应用。

IGBT、GTO 的出现，促使了VSC-HVDC和MMC-HVDC的产生，成为直流输电技术的一次重大变革。

MMC-HVDC（modular multilevel converter-high voltage DC transmission）是新一代直流输电技术，发展非常迅速。

它具有高度模块化、易于扩展、输出电压波形好等特点，尤其适用于中高压大功率系统应用。

本文首先介绍MMC的电路拓扑和工作原理，总结MMC的主要技术特点；然后分别回顾MMC在电容电压平衡、环流、控制策略、故障保护等关键问题的最新研究进展，最后指出MMC今后亟待研究的关键问题。

相关研究结果表明，MMC在电力系统中有广泛的应用前景,是未来中高压大功率系统,尤其是高压输电技术的重要发展方向。

1正文：传统两电平电压源型变换器，在电机传动、新能源并网、开关电源等工业生产领域的应用十分广泛。

但在高压大功率领域的应用中，为解决功率开关器件的耐压问题，通常通过工频变压器接入高压电网，笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的体积和成本，限制了系统效率。

鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足，德国学者 Marquardt R.及其合作者提出了基于级联结构的模块组合多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的拓扑。

现将传统直流输电、电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)和MMC-HVDC三种直流输电方式的特点列表如下。

1.1 MMC拓扑结构和基本原理拓扑结构如图 1 所示，可以看出其为桥型拓扑结构，上下桥臂各串联n个子模块并通过电抗器与交流电源相连。

MMC子模块结构如图2所示。

子模块由2个IGBT 构成的半桥、2个反并联二极管和一个直流储能电容器组成，每个子模块都是一个两端元件，可以在 2 种方向电流的情况下通过开关实现在全模块电压和 0 电压之间转换，根据电流的方向不同，可以实现电容的充、放电。

其中，电抗器的主要作用是提供环流阻抗，限制桥臂间环流，同时有效地减小了换流器内部或外部故障时的电流上升率，从而使IGBT在较低的过电流水平下关断，为系统提供更为有效和可靠的保护。

直流储能电容可视为独立的直流电压源，为子模块提供全模块电压Uc。

反并联二极管不仅可以为IGBT稳压，同时为充放电提供回路。

1.2 MMC技术特点相比于传统的两电平或者三电平拓扑，MMC具有许多适用于高压大功率应用场合的结构和输出特征：1）高度模块化的结构。

功率单元的主电路和控制系统均采用模块化设计，通过调整功率单元数量可实现MMC系统的电压和功率等级的灵活配置，便于系统扩容，有利于缩短工程设计和加工周期。

模块化的功率单元采用相同容量的直流电容和功率开关器件，具有很强的可替代性，便于系统维护。

此外，模块化的结构特点使得MMC具有出色的硬件和软件兼容性，易于冗余工作设计。

2）具有公共直流母线。

MMC无需集中电容器组或其它无源滤波元件进行直流侧滤波，可避免直流侧短路引起的浪涌电流及系统机械破坏的风险，提高系统可靠性的同时，也有利于降低系统成本。

MMC 可实现对公共直流母线电压的有源控制，公共直流母线电压和电流连续可调。

同时，公共直流母线的存在使得MMC可以工作在背靠背系统中，典型应用如 HVDC、电能质量问题治理等场合。

3）便于工程实现。

传统VSC的高压直流母线一般要求具有较低的等效电感，而MMC对系统主回路的杂散参数不敏感，采用普通电缆即可实现所有功率单元间的可靠连接，因而变换器的结构设计更加灵活，这是MMC的一个突出优点。

4）不平衡运行能力。

由于MMC各相桥臂的工作原理完全相同，均可独立控制，当MMC交流侧发生不平衡故障(如单相故障)后，其它两相仍可继续满功率传输能量，系统传输容量仅需降额总输出能力的三分之一。

对于较脆弱的电网，MMC能有效减少频率波动，避免甩负荷或者发电机跳闸。

5）故障穿越和恢复能力。

由于MMC的直流储能量大，网侧发生故障时，功率单元不会放电，公共直流母线电压仍然连续，不仅保障了MMC的稳定运行，并可在较短的时间内从故障状态恢复，因而具有很强的故障穿越和恢复能力。

6）保留了传统多电平变换器的优点。

MMC具有与传统级联型变换器类似的多电平波形，开关器件的开关频率低，系统开关损耗较小。

MMC的等效开关频率较高，输出电压的谐波含量和电磁干扰水平较低，仅需要很小的滤波电感甚至无需交流滤波电感，有助于减少主电路元器件数量和体积。

7）连续的桥臂电流。

与传统的两电平VSC不连续的“斩波”波形不同，MMC的桥臂电流是连续的，且脉动频率较高，能显著降低对交流输出滤波电感的要求，MMC的上桥臂和下桥臂分别承担一半的交流输出电流，降低了功率开关器件的电流容量等级。

总而言之，与传统多电平变换器相比，MMC继承了传统级联式拓扑在器件数量、模块化结构方面的优势，适用于交流输出频率恒定、对电压和功率等级要求极高的有功功率变换场合；同时由于MMC在器件电流应力、不平衡运行、故障保护等方面的技术优势，MMC具有更强的适应能力，在HVDC、中高压电机传动、电能质量问题治理等领域有广泛的应用前景。

1.3 MMC关键技术（1）MMC 的电容电压平衡系统直流侧电压是由各个子模块直流侧电容来支撑的，因此，需要控制同一相各个子模块直流侧电容电压的均衡。

但由于各个子模块的电容提供给驱动电路电源的功率不可能完全相同，各个子模块的损耗也不完全一致，加上控制算法中各个子模块的通断时刻也不一致，将使得各个子模块直流电容电压不平衡和不稳定。

文献[3-4]提出一种周期性测量每个桥臂各个子模块的直流侧电容电压的大小和各个桥臂的电流方向，并将其进行分类，然后根据控制算法得到桥臂所处的电平数和桥臂的电流方向，对各个子模块进行控制，最终达到模块化多电平换流器桥臂内部各个子模块电容电压的均衡。

文献[5]在分析静止同步串联补偿器的各个直流电容电压不平衡原因的基础上，提出“分层控制”的思想建立直流电压均衡的控制策略。

即采用3个步骤：合理选择直流电压的调定值和直流电容的参数值；通过调制策略来平衡直流电压；通过控制策略保持直流电压的稳定。

以上2种方法都需要采样各个直流侧电容电压的大小，并将其送至系统的总控制器中，进行一定繁琐的排序计算，需要很好的测量和传输方法，在一定程度上增加了控制的复杂性和难度。

文献[6]分析了链式逆变器的STATCOM直流电容电压稳态数学模型，揭示了电容电压不平衡现象的机理，提出基于直流母线能量交换的直流电容电压平衡的方法和基于交流电源母线能量交换的最大（或最小）电容电压均衡的方法。

但这2种方法的缺点是需要1个乃至2个隔离变压器和其他换流器，增加了系统的复杂性和实现起来的难度。

（2）MMC的环流分析和抑制技术研究MMC的环流特指仅在公共直流母线正负极之间或者不同相桥臂之间循环流动的电流，其主要作用是在同一相桥臂内或者不同相桥臂之间传递有功和无功能量。

文献[7-9]在分析三相 MMC 的桥臂电流时，忽略了环流中的交流脉动分量，而将环流假定为公共直流母线电流的1/3。

但这种假设未考虑不同相桥臂之间的能量交换，适用于分析HVDC 系统等负载和交流电网高度对称的特定应用场合。

然而，对于分析MMC 在不对称电网/负载等特殊应用场合下的工作特性时，必须考虑环流作为不同相桥臂之间能量交换及直流电容电压控制的载体的功能。

此外，环流的存在也会带来一些负面影响，环流叠加在桥臂电流中，不仅提高了功率器件的额定电流容量，增加了系统成本；同时增加了开关损耗，使功率器件发热严重，影响装置使用寿命，因而有必要对环流进行抑制。

文献[10]解释了环流幅值和桥臂阻抗之间的反比关系，即使环流电压幅值很小，也可能在桥臂中产生较大的环流。

文献[11-12]解释了环流产生的机理，分析了环流和公共直流母线电流之间的关系，结果表明，环流无法完全消除，只能通过控制手段抑制其中的交流环流分量的幅值。

文献[13-14]指出通过合理选择桥臂电感和设计控制环路的方法以实现对环流的抑制效果，但增大桥臂电感无疑会增大系统体积和成本。

文献[11]侧重分析了环流峰值与桥臂电感、直流电容和直流电压之间的关系，但上述分析仅提出了环流中存在的二倍频负序分量，未区分环流中的可控分量和不可控分量，无法MMC的环流控制策略设计提供借鉴。

文献[13,15,16]提出一种基于上桥臂和下桥臂的平均直流电容电压差值进行环流抑制的方法，并进行了实验验证，但该方法需要用到所有功率单元的直流电容电压，对系统的信号采集环节提出了较高的要求。

文献[17-18]提出一种仅需要采集六路桥臂电流信号的环流抑制器，不需增加桥臂电感的前提下实现了对环流的有效抑制，但该方法需要用到二倍频负序坐标变换和电流相间解耦环节，增加了MMC控制系统的运算量。

同时该方法仅适用于三相系统，无法推广到单相或者四线制及以上的MMC系统。

为此，文献[19]提出一种基于MMC环流模型的通用环流抑制(universal circulating current suppressing，UCCS)策略，能显著抑制环流中的低频交流脉动分量，消除桥臂电流的畸变，同时可有效抑制公共直流输入/输出功率脉动，有利于MMC系统的稳定可靠运行。

此外，UCCS策略实现原理简单，无需负序坐标变换和相间解耦环节，适用于任意相数的MMC 控制。

（3）MMC 控制策略①消谐波 PWM法（SH-PWM ）SH-PWM的原理是电路的每相使用1个正弦调制波与几个平行的三角波进行比较。

其优点是能很好地控制谐波，缺点是动态特性差，计算量随着电平数的增大而急剧增大，因此适用于电平数不太多的场合。

②载波移相正弦脉宽调制（CPS-SPWM ）载波移相SPWM技术的基本思想是n个变换器单元采用n个移位的三角波与正弦波进行比较。

其特点有：1）各变换器单元的开关频率低，便于组成大功率变流装置，降低器件开关损耗；2）输出谐波小，可大大减小滤波器的体积；3）等效开关频率高，传输频带宽，传输线性好，容易引入一些优秀的控制方法，如滞环电流控制、单周控制等。

③空间矢量调制（SVPWM ）空间电压矢量技术的原理是通过指定区域相应的电压矢量适时切换合成得到要求的空间电压矢量。

其优势表现在模型简单，在大范围的调制比内具有很好的性能，并且母线利用率高。

但是，应用于5电平以上的多电平电路时其控制算法将变得非常复杂。