模块化多电平高压直流输电综述.docx

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 multi level conver ter，MMC)的拓扌卜现将传统直流输电、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比较项目 倩统直范 VSC-HVDC MMC^HVDC功率范围模址组件站间通讯滤碱和无功补是香恠赖童流独空挣制有功和无期校大功率范围 QOWM）视需要装配需要联电容器恠粧基本不可以剳率范围广（几到几I I' WM）人部汙棋块优不需要需较小滤波器不恠救町以功率范鬧厂（几到儿百WM}模决优不需要1诩;泯波器不依额:少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oMMC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随着电平数 量的增加，空间矢量调制技术存在器件导通负荷不均衡的现象④ 阶梯波脉宽调制阶梯波脉宽调制技术的原理是用阶梯波来逼近正弦波，阶梯波调 制就能达到很好的输出特性，且其开关次。