基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電控制策略研究

摘 要：本文從MMC的拓撲結構入手，對其工作原理進行了詳細分析，并針對MMC子模塊的3個狀態和6個工作模式進行了介紹。調制策略是MMC的核心技術之一，分析了適合MMC換流器的最近電平調制策略和載波移相調制策略的實現原理。

關鍵詞：模塊化多電平換流器；直流輸電；載波移相

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.175

0 引言

傳統的柔性直流直流輸電系統的換流器是兩電平或三電平的VSC結構，這種換流器由于電平數很少，導致輸出電壓波形也較差，必須采用高頻的PWM來改善輸出電壓的波形質量。模塊化多電平換流器（MMC）是一種新型的級聯多電平結構，可以通過調節串聯子模塊的個數實現任意電平的輸出，有效減小了輸出電壓的諧波含量，并降低了子模塊的開關頻率，同時，MMC還有一個公共的直流側，具有公共的直流母線，易于實現背靠背連接，因此非常適合于柔性直流輸電。

1 三相模塊化多電平換流器的拓撲

三相模塊化多電平換流器的拓撲結構如圖1所示。換流器由6個橋臂組成，每個橋臂由若干個子模塊和一個橋臂電抗器串聯構成，每相上、下橋臂組成一個相單元。對于N+1電平的模塊化多電平換流器，在不考慮子模塊冗余的情況下，MMC每個相單元有2N個子模塊，上、下橋臂分別N個。每個子模塊由兩個IGBT和一個電容構成，其結構如圖1所示。MMC換流器結構高度模塊化，只需調整每個相單元的子模塊數目就可以滿足不同電壓等級和功率的要求。MMC的拓撲結構與傳統的VSC不同，交流電抗器是直接串在橋臂中的，其作用是抑制因MMC三相橋臂直流電壓不相等而造成的環流，同時也可以抑制直流母線發生故障時的沖擊電流，提高系統的可靠性 。

2 MMC工作原理分析

（1）子模塊工作原理分析。根據圖1中子模塊SM的結構示意圖，T1、T2代表兩個IGBT，D1，D2代表與IGBT反并聯的兩個二極管，uc是直流電容C的電壓，usm為子模塊兩端電壓，ism為流入子模塊的電流，各物理量的參考方向如圖1所示。根據子模塊T1、T2的開關狀態和電流ism方向的不同，可以分為封鎖、投入和切除3種工作狀態，每種工作狀態對應兩種工作模式。（2）三相MMC工作原理分析。以5電平結構的MMC為例，每個相單元由8個子模塊SM構成，MMC在運行過程中，必須滿足一下兩個條件：1）維持直流電壓穩定。要求每個相單元投入的子模塊總數相等且恒定不變。2）在交流側輸出三相交流電壓。通過調節每個相單元上、下橋臂投入的子模塊個數來實現三相交流電壓的輸出。當三相MMC穩態運行時，為了保持直流側電壓保持恒定，三個相單元投入的子模塊總數必須相等。由于三個相單元的對稱性，直流側電流Idc平均分布在三個相單元中，又因為上下橋臂電抗器Lm相等，所以交流側電流is平均分配在三個相單元。

3 適用于MMC的調制策略

目前，MMC換流器廣泛采用的調制策略主要分為兩大類：一類是基于載波的PWM，包括載波移相、載波層疊以及疊加零序分量幾種方式，其中較為實用的是載波移相調制方法；另一類是階梯波調制，主要為最近電平調制，這與第一種方式相比，其優點是開關頻率低，實現方法簡單；缺點是在電平數較少的場合下，波形質量較差。但對于用在柔性直流輸電領域的MMC換流器來說，電平數極多，最近電平調制具有很大的優勢。（1）最近電平調制策略。最近電平調制方法適用于電平數較多的場合，尤其適合于電平數較多的MMC換流器，其基本原理是用離散的階梯波去逼近連續的正弦波，電平數越高，兩者的接近程度越高。隨著子模塊個數N的增大，子模塊電壓uc越來越小，使得MMC的輸出電壓與 us（t）之差也越來越小。而且，在沒有均壓控制的前提下，理想情況下采用NLM調制方式，每個IGBT的開斷頻率為基波頻率，這大大降低了MMC的開關損耗。但實際應用中，電容均壓控制是必須的，這會帶來額外的開關動作，即便如此，其開關頻率也遠遠低于PWM調制需要上千赫茲的頻率。（2）載波移相調制策略。在多電平領域，除了上節所述的NLM調制策略，載波移相調制也較為常見，同樣在MMC領域得到廣泛應用。對于N+1電平的MMC換流器，需要采用N條幅值相等、同頻率的三角波作為載波信號，每條載波相位上各間隔θ。通過同一條調制波與N條三角載波相比較，得到N組PWM調制波開關信號，分別用來驅動每個橋臂上的N個子模塊。為保證任意時刻各個相單元上下橋臂投入的子模塊個數互補且總數等于N，要求上、下橋臂的調制波反相，每相調制波相位互差2π/3，最后各相輸出電壓的電平狀態由N組調制波開關信號疊加而成。以五電平的MMC換流器的A相為例，來說明載波移相調制策略的原理。假設調制波為正弦波，要求上下橋臂調制波信號反相，MMC每個相單元上下橋臂各由4個子模塊構成，則需要4個三角載波與一個正弦調制波相比較，每個三角載波之間的相位依次相差2π/4， 調制波與4條三角載波比較后得到4組PWM開關信號，分別驅動每個橋臂上的4個子模塊。

4 結束語

本文對MMC拓撲結構和工作原理進行了詳細的分析，從子模塊的3個工作狀態和6個模式入手，闡述子模塊的工作原理，最后介紹廣泛應用于MMC換流器的兩種調制策略，即最近電平調制策略及載波移相調制策略，并對這兩種調制策略的實現原理進行了詳細分析。調制策略是MMC的核心技術之一，分析適合MMC換流器的最近電平調制策略和載波移相調制策略的實現原理。

參考文獻：

[1]潘偉勇.模塊化多電平直流輸電系統控制和保護策略研究[D]. 浙江大學，2012.

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